供稿人:楊強(qiáng)，魯中良，李滌塵 發(fā)布日期：2017-05-01
陶瓷材料擁有許多優(yōu)異的特性，如高強(qiáng)度、高硬度以及耐腐蝕、耐磨損等，但是同時(shí)也具有加工制造困難的問(wèn)題，尤其是難以制造具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件。美國(guó)休斯實(shí)驗(yàn)室（HRL Laboratories）采用3D打印陶瓷前驅(qū)體的方法制造出的陶瓷零件，7不僅具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)，還能耐受超過(guò)1700℃的高溫，未來(lái)有望在航空航天和微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域得以應(yīng)用。
該技術(shù)首先發(fā)明了一種由硅、碳、氧組成的陶瓷前驅(qū)體聚合物，向陶瓷前驅(qū)體聚合物中加入適量的光引發(fā)劑制成陶瓷前驅(qū)體材料；利用光固化成型技術(shù)即可將陶瓷前驅(qū)體材料成形為不同尺寸和結(jié)構(gòu)的聚合物陶瓷零件；聚合物陶瓷零件再經(jīng)過(guò)1000℃的高溫?zé)峤饧纯赊D(zhuǎn)化為高強(qiáng)度的致密陶瓷零件。盡管陶瓷前驅(qū)體聚合物在熱解為陶瓷零件的過(guò)程中存在收縮現(xiàn)象，但是收縮非常均勻，可以預(yù)測(cè)。
圖1 3D打印前驅(qū)體制造陶瓷零件前驅(qū)體過(guò)程示意圖和制造實(shí)例 （A）陶瓷前驅(qū)體聚合物；（B）光固化成型；（C）聚合物陶瓷零件；（D）聚合物熱解為陶瓷零件；（E）SLA制造的螺旋結(jié)構(gòu)；（F-G）SPPW制造的Microlattices結(jié)構(gòu)；（H）蜂窩結(jié)構(gòu)
研究人員利用上述方法制造出了幾種典型的具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的陶瓷零件，并利用電子顯微鏡對(duì)其進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)此方法制造的陶瓷零件不存在孔隙和裂紋等微觀缺陷。
圖2 Microlattices結(jié)構(gòu)和螺旋結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖（A）SPPW制造的Microlattices結(jié)構(gòu)的光滑表面；（B）斷口形貌；（C）SLA制造的螺旋結(jié)構(gòu)表面臺(tái)階；（D）表面臺(tái)階高度為50μm；（E）光亮區(qū)域的TEM圖表明無(wú)孔隙和裂紋；（F）TEM衍射表明非晶結(jié)構(gòu)
通過(guò)對(duì)陶瓷零件的力學(xué)性能測(cè)試后發(fā)現(xiàn)此方法制造的陶瓷零件在抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度方面均優(yōu)于具有相同密度的傳統(tǒng)陶瓷成形方法制造的多孔陶瓷。
圖3 3D打印前驅(qū)體制造的陶瓷零件與泡沫陶瓷強(qiáng)度對(duì)比（A）抗壓強(qiáng)度；（B）抗彎強(qiáng)度
借助這種新技術(shù)，可以3D打印兩類(lèi)非常有用的陶瓷零件，一種是尺寸大但重量非常輕的晶格結(jié)構(gòu)（Microlattices），可以用于制作飛機(jī)和航天器的耐熱板及其他外部部件；另外一種是尺寸小但結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的零件，可以用于制作微機(jī)電系統(tǒng)或噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭的組件。