供稿人：王紫辰、苗愷 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-07-13
現(xiàn)今社會中，高性能結(jié)構(gòu)陶瓷部件的加工一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的加工方式難以制造出與其相比具有相似強(qiáng)度和韌性的高性能結(jié)構(gòu)陶瓷部件。因此，科學(xué)家們一直在尋找新的制造方法。最近，一篇題為《UV-Curing Assisted Direct Ink Writing of Dense, Crack-Free, and High-Performance Zirconia-Based Composites With Aligned Alumina Platelets》的論文在《Advanced materials》雜志上發(fā)表。該研究提出了一種新的方法，通過將紫外光固化技術(shù)與直接墨水書寫打印技術(shù)相結(jié)合，制造出高密度、無裂紋、高性能的氧化鋯基復(fù)合材料，并且這種方法可以使用高固體含量的漿料和具有組成變化的多層材料，同時(shí)避免了干燥問題。
如圖1所示，研究人員首先開發(fā)了一種固體含量為51%的紫外光固化氧化鋯漿料，其中含有3%的鋁氧化物板片，并制造出了致密且無裂紋的鋁氧化物強(qiáng)化氧化鋯(ATZ)。這是因?yàn)闈{料中添加了非反應(yīng)性稀釋劑(聚丙烯乙二醇PPEG-400)，減少固化過程中的體積收縮和由此產(chǎn)生的聚合引起的內(nèi)應(yīng)力，從而避免了打印物體的變形，以及在分離和燒結(jié)物體中的裂縫和分層。
圖1 非活性稀釋劑對膏體可印刷性和最終陶瓷質(zhì)量的影響
如圖2所示，這是第一次使用紫外光固化輔助直接噴墨打印技術(shù)制造出的陶瓷材料的機(jī)械性能比傳統(tǒng)壓制工藝更好，在噴嘴擠壓過程中，分散在膏體中的氧化鋁薄片沿著打印方向排列，從而實(shí)現(xiàn)沿建筑路徑的可控方向，排列在一起的鋁氧化物板片，增強(qiáng)了抗裂性能。并將斷裂韌性從6.8±0.3 MPa m0.5（壓縮）提高到7.4±0.3 MPa m0.5（直接噴墨打?。Ｖ苯訃娔蛴〉腁TZ（1009±93 MPa）的四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度也比傳統(tǒng)制造的ATZ（861±68 MPa）更高。
圖2 傳統(tǒng)壓實(shí)法和DIW法制備的ATZ陶瓷(3AP + 3wt %氧化鋁片)的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能比較。
如圖3所示，該方法可以成功地制備出成分變化的多層復(fù)合陶瓷，而不產(chǎn)生變形和界面缺陷。這種混合uv固化輔助DIW技術(shù)的血小板對齊和材料成分的靈活性為材料設(shè)計(jì)和應(yīng)用開辟了新的視角，因?yàn)榫植砍煞趾桶殡S的機(jī)械性能可以數(shù)字化地集成到大塊3D組件的設(shè)計(jì)中。
圖3 層壓結(jié)構(gòu)對比
如圖4所示，與傳統(tǒng)的DIW相比，混合UV-DIW產(chǎn)生了更好的表面形貌。即使使用更大的噴嘴(250 μm)， UV-DIW打印和燒結(jié)對象的表面也比使用水凝膠基油墨的傳統(tǒng)DIW加工的ATZ表面更光滑。
圖4 DIW打印和燒結(jié)ATZ的表面形貌:(a)使用250μm噴嘴的uv固化輔助DIW (33%PPEG)打印的ATZ; (b)使用水凝膠基油墨和200μm噴嘴的傳統(tǒng)DIW打印的比較。