西安交大研究人員在高性能陶瓷3D打印領域取得新進展

來源： 西安交通大學材料學院

高性能陶瓷在航空航天、核工程等領域的重大應用需求越來越廣泛，與傳統(tǒng)成型技術相比，陶瓷3D打印成型技術具有制備復雜結構、近凈成型、無�？焖僦圃旌徒档统杀镜葍�(yōu)勢。目前國內(nèi)開展陶瓷增材制造材料、成型工藝、裝備研究還處于起步階段，特別是致密性好、強度高的陶瓷光固化成型（SLA）膏料研制、陶瓷實體件脫脂、燒結過程中防止開裂、變形等關鍵技術還存在諸多瓶頸難題。

西安交通大學鮑崇高教授團隊采用聚多巴胺對熔融石英（SiO2）陶瓷進行表面包覆改性，取代了傳統(tǒng)光固化成型膏料制備所需的分散劑和吸光劑，制備了基于光固化成型（SLA）技術的SiO2f/m-SiO2陶瓷膏料。所制備的SiO2f/m-SiO2陶瓷膏料具有優(yōu)異的流變特性和更高的成型精度。采用光固化成型結合硅溶膠浸漬技術對SiO2f/m-SiO2復合陶瓷進行浸漬處理對SiO2f/m-SiO2復合陶瓷的力學性能進行改善。結果表明，當浸漬次數(shù)為3次時，SiO2f/m-SiO2復合陶瓷的力學性能得到較大提升，其中彎曲強度增幅約20.4%，壓縮強度增幅約42.0%。

該成果以《聚多巴胺包覆SiO2陶瓷膏料的制備及光固化成型結合硅溶膠浸漬SiO2f/SiO2復合材料力學性能研究》(The fabrication of fiber-reinforced polyamine-coated silica paste and the mechanical properties of SiO2f/SiO2 composites via stereolithography combined with silica sol impregnation)為題發(fā)表于3D打印國際頂級期刊《增材制造》(Additive Manufacturing)上，材料科學與工程學院博士生董文彩為論文第一作者，鮑崇高教授為唯一通訊作者，西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室為論文唯一通訊作者單位。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102714

該研究團隊近年來在耐高溫、高透波、多孔復雜結構的氮化硅、氧化鋯、氧化鋁等陶瓷增材制造開展了系列研究，著重對膏料流變特性、光固化成型機理、成型缺陷形成及消除機理以及復雜構件形性調控機制等方面進行了深入研究，研究成果不僅在Additive Manufacturing、Journal of the European Ceramic Society和Ceramics International等國際著名期刊發(fā)表研究論文5篇，而且聯(lián)合航天應用部門研制了較大尺寸的多種陶瓷樣件，對解決功能-結構一體化高性能陶瓷增材制造及應用“最后一公里”問題具有重要意義。

針對耐高溫、高透波的石英（SiO2）陶瓷天線窗蓋航天部件，具有尺寸較大、薄壁、弧形等異構特點，傳統(tǒng)成型工藝采用減材方法，不僅材料浪費嚴重，加工成本高、周期長，而且在加工過程中極易脆裂，成品率低。研究組采用陶瓷光固化成型技術，系統(tǒng)研究了SLA膏料組分、光固化成型、脫脂、燒結以及后處理等關鍵技術，其目標結構件成型周期僅需17小時，通過纖維增強、復合浸漬、優(yōu)化成型、脫脂、燒結工藝等，獲得了滿足致密性、強度和尺寸精度等要求，在復雜構件陶瓷增材制造技術方面取得重要突破。

該研究工作得到了國家自然科學基金、航天一院高校聯(lián)合創(chuàng)新基金項目等項目資助，材料制備、性能表征及測試工作得到國家增材制造創(chuàng)新中心、西安交通大學分析測試共享中心以及材料科學與工程學院分析測試中心的支持。