穩(wěn)定四方相氧化鋯的增材制造：微蜂窩結(jié)構(gòu)中的漸進式塌陷、馬氏體轉(zhuǎn)變和能量耗散

供稿人：王帥偉 連芩 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

部分或完全穩(wěn)定氧化鋯有著各種優(yōu)異功能和結(jié)構(gòu)特性，如良好的生物相容性、相變增韌特性、離子傳導性、耐磨耐腐蝕性以及抗熱震性。增材制造技術(shù)可以使用氧化鋯材料打印出氧化鋯陶瓷零件，但是要將微結(jié)構(gòu)的幾何形狀優(yōu)勢與良好的機械功能特性結(jié)合起來卻是具有挑戰(zhàn)性的。美國弗吉尼亞理工大學材料科學與工程系的Hunter A. Rauch等人和美國加利福尼亞大學洛杉磯分校機械與航空航天工程系的Huachen Cui等人[1]采用釔穩(wěn)定氧化鋯材料，結(jié)合定制的LAPμSL（large-area projection micro-stereolithography system）大面積微立體光刻系統(tǒng)，采用自制的Y-TZP（yttrium-stabilized tetragonal zirconia polycrystals）陶瓷漿料打印出微蜂窩結(jié)構(gòu)，展示出良好的能量耗散能力。

(A) LAPμSL打印機示意圖；(B)單層曝光的打印過程示意圖；(C)具有不規(guī)則宏觀幾何形狀的幾種素坯和燒結(jié)蜂窩結(jié)構(gòu)的示例；(D)一種帶有5×4六邊形緊密填充陣列的燒結(jié)Y-TZP微蜂窩。

圖 1 微蜂窩的立體光刻技術(shù)

圖1（A）所示的是定制的LAPμSL系統(tǒng)，可用于逐層打印Y-TZP微蜂窩結(jié)構(gòu)。該過程是逐層成形的，漿料從擠出噴嘴中流出，刮刀以剪切速率為6s-1的速度刮涂漿料。打印件的分層厚度為15μm，曝光能量為1200 mJ/cm2，曝光時間為15s。如圖1（B）所示，投影儀發(fā)出的UV光以掩膜圖案的形狀進行曝光，固化的樹脂包裹Y-TZP顆粒。曝光完成后，基板帶著固化后的陶瓷素坯一同提起，刮刀重新進行刮涂，然后打印機打印下一層，直至打印出所需零件。圖1（C）上展示的是打印出的蜂窩結(jié)構(gòu)，用于測試最佳的打印參數(shù)以及燒制參數(shù)。根據(jù)確定后的參數(shù)，采用該工藝可以制造出由六邊形蜂窩陣列組成的Y-TZP微蜂窩結(jié)構(gòu)，燒結(jié)后的陶瓷件如圖1(D)所示，壁厚為300μm，蜂窩直徑為1.40±0.08mm。

使用打印出的蜂窩結(jié)構(gòu)來進行平面外壓縮的力學行為測試。圖2（A）所示是所選的蜂窩結(jié)構(gòu)的應力應變曲線，表現(xiàn)出了蜂窩陶瓷結(jié)構(gòu)典型的兩階段變化特點。第一階段是蜂窩結(jié)構(gòu)的彈性形變，直至達到268MPa的應力，隨后結(jié)構(gòu)碎裂（黑色曲線），應力急劇下降。如圖2（B）所示，雖然蜂窩結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂，但是只是局部失效，大部分結(jié)構(gòu)完好。重新加載載荷，在第二階段的應力應變曲線如圖2(A)（綠色曲線）所示。在初始彈性形變階段之后，應力不隨應變出現(xiàn)顯著變化，均在50~80MPa附近振蕩。圖2（C）-（D）顯示了試驗快照中的逐段破壞，其中蜂窩外部的小部分（通常歸入單個壁段）單獨斷裂。這些斷裂事件均與圖2（A）中觀察到的小突變有關(guān)。

(A)測量的均化應力與應變曲線顯示了兩個階段的不同行為。(B)、(C)和(D)標示出了與(A)中標記的階段I和階段II中的三個加載步驟相對應的視頻快照�？煺赵赬-Z平面上拍攝，黑色箭頭指示裂紋。周期性亮區(qū)和暗區(qū)分別是朝向或遠離光源的蜂窩面。

圖 2 Y-TZP微蜂窩在平面外壓縮下的力學行為

圖 3 Y-TZP蜂窩中的應力誘導相變

使用XRD對微蜂窩的晶體結(jié)構(gòu)進行測試，并與壓縮之前作比較。如圖 3所示，雖然在壓縮前后都主要顯示與氧化鋯四方相對應的峰，但是壓縮之后的微蜂窩結(jié)構(gòu)顯示出小峰（例如（111 ̅）和（111）峰），表明存在約10vol%的單斜氧化鋯。測試結(jié)構(gòu)表明了Y-TZP存在應力誘變的馬氏體相變。通過圖 2中應力-應變曲線兩個階段下的積分，計算出機械試驗期間的能量耗散密度為23.0 mJ/m3，約90%的能量在第二階段耗散。標稱橫截面積為46.75 mm2，高度為2.55 mm，整個Y-TZP微蜂窩可消耗2.74 J的能量。而蜂窩質(zhì)量為0.290 g，即使沒有達到壓縮后的完全致密化階段，單位質(zhì)量的能量耗散能力也為9.45 J/g。

這項研究采用定制的微立體光刻系統(tǒng)制造出了微蜂窩結(jié)構(gòu)。研究團隊通過測試制造出的微蜂窩結(jié)構(gòu)在受力壓縮時的應力應變，找到了應力誘導Y-TZP發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的證據(jù)。同時，Y-TZP微蜂窩結(jié)構(gòu)的總能量耗散密度為9.45J/g，大大高于其它陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)。

參考文獻：
RAUCH H A, CUI H, KNIGHT K P, et al. Additive manufacturing of yttrium-stabilized tetragonal zirconia: Progressive wall collapse, martensitic transformation, and energy dissipation in micro-honeycombs [J]. Additive Manufacturing, 2022, 52: 102692.