(總結(jié)452類)史上的陶瓷材料3D打印技術(shù)解析

1、史上最全的陶瓷材料打印技術(shù)解析南極熊打印網(wǎng)現(xiàn)在已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)一些陶瓷打印機(jī)，價(jià)格萬(wàn)到萬(wàn)人民幣的都有。南極熊希望下文可以給讀者帶來(lái)全面的認(rèn)識(shí)?！霸霾闹圃臁钡睦砟顓^(qū)別于傳統(tǒng)的“去除型”制造。傳統(tǒng)數(shù)控制造一般是在原材料基礎(chǔ)上，使用切割、磨削、腐蝕、熔融等辦法，去除多余材料，得到零部件，再以拼接、焊接等方法組合成最終產(chǎn)品。而“增材制造”與之不同，無(wú)需原胚和模具，就能直接根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)，通過(guò)增加材料的方法生成任何形狀的物體，簡(jiǎn)化產(chǎn)品的制造程序，縮短產(chǎn)生的研制周期，提高效率并降低成本。陶瓷材料具有優(yōu)良高溫性能、高強(qiáng)度、高硬度、低密度、好的化學(xué)穩(wěn)定性，使用其在航天航空、汽車、生物等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。而陶瓷

2、難以成型的特點(diǎn)又限制了它的使用，尤其是復(fù)雜陶瓷制件的成型均借助于復(fù)雜模具來(lái)實(shí)現(xiàn)。復(fù)雜模具需要較高的加工成本和較長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)周期，而且，模具加工完畢后，就無(wú)法對(duì)其進(jìn)行修改，這種狀況越來(lái)越不適應(yīng)產(chǎn)品的改進(jìn)即更新?lián)Q代。采用快速成型技術(shù)制備陶瓷制件可以克服上述缺點(diǎn)?？焖俪尚鸵步凶杂蓪?shí)體造型，是世紀(jì)年代中期興起的高興技術(shù)。.陶瓷打印快速成型技術(shù)的本質(zhì)是采用積分法制造三維實(shí)體，在成型過(guò)程中，先用三維造型軟件在計(jì)算機(jī)生成部件的三維實(shí)體模型，而后用分層軟件對(duì)其進(jìn)行分層處理，即將三維模型分成一系列的層，將每一層的信息傳送到成型機(jī)，通過(guò)材料的逐層添加得到三維實(shí)體制件。跟傳統(tǒng)模型制作相比，打印具有傳統(tǒng)模具制作所不具備的

3、優(yōu)勢(shì)：.制作精度高。經(jīng)過(guò)年的發(fā)展，打印的精度有了大幅度的提高。目前市面上的打印成型的精度基本上都可以控制在以下。.制作周期短。傳統(tǒng)模型制作往往需要經(jīng)過(guò)模具的設(shè)計(jì)、模具的制作、制作模型、修整等工序，制作的周期長(zhǎng)。而打印則去除了模具的制作過(guò)程，使得模型的生產(chǎn)進(jìn)度大大縮短，一般幾個(gè)小時(shí)甚至幾十分鐘就可以完成一個(gè)模型的打印。.可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化制作。打印對(duì)于打印的模型數(shù)量毫無(wú)限制，不管一個(gè)還是多個(gè)都可以以相同的成本制作出來(lái)，這個(gè)優(yōu)勢(shì)為打印開(kāi)拓新的市場(chǎng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。.制作材料的多樣性。一個(gè)打印系統(tǒng)往往可以實(shí)現(xiàn)不同材料的打印，而這種材料的多樣性可以滿足不同領(lǐng)域的需要。比如金屬、石料、高分子材料都可以應(yīng)用于

4、打印。.制作成本相對(duì)低。雖然現(xiàn)在打印系統(tǒng)和打印材料比較貴，但如果用來(lái)制作個(gè)性化產(chǎn)品，其制作成本相對(duì)就比較低了。加上現(xiàn)在新的材料不斷出現(xiàn)，其成本下降將是未來(lái)的一種趨勢(shì)。有人說(shuō)在今后的十年左右，打印將會(huì)走進(jìn)普通百姓家里。陶瓷打印的主要技術(shù)分類打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一種粘結(jié)劑粉末所組成的混合物。由于粘結(jié)劑粉末的熔點(diǎn)較低，激光燒結(jié)時(shí)只是將粘結(jié)劑粉末熔化而使陶瓷粉末粘結(jié)在一起。在激光燒結(jié)之后，需要將陶瓷制品放入到溫控爐中，在較高的溫度下進(jìn)行后處理。陶瓷粉末和粘結(jié)劑粉末的配比會(huì)影響到陶瓷零部件的性能。粘結(jié)劑分量越多，燒結(jié)比較容易，但在后處理過(guò)程中零件收縮比較大，會(huì)影響零件的尺寸精度，粘結(jié)劑分量少，

5、則不易燒結(jié)成型。顆粒的表面形貌及原始尺寸對(duì)陶瓷材料燒結(jié)性能非常重要，陶瓷顆粒越小，表面越接近球形，陶瓷層的燒結(jié)質(zhì)量越好。陶瓷粉末在激光直接快速燒結(jié)時(shí)，液相表面張力大，在快速凝固過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，從而形成較多的微裂紋。目前，陶瓷直接快速成型工藝尚未成熟，國(guó)內(nèi)外正處于研究階段，還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)商品化。目前，比較成熟的快速成型方法有如下幾種：分層實(shí)體制造（簡(jiǎn)稱）。熔化沉積造型（簡(jiǎn)稱）。形狀沉積成型（簡(jiǎn)稱）。立體光刻（簡(jiǎn)稱）。選區(qū)激光燒結(jié)（簡(jiǎn)稱）。噴墨打印法（簡(jiǎn)稱）。分層實(shí)體制造（）分層實(shí)體制造采用背面涂有熱熔膠的薄膜材料為原料，用激光將薄膜依次切成零件的各層形狀疊加起來(lái)成為實(shí)體件，層與層間的粘結(jié)依

6、靠加熱和加壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。最初使用的材料是紙，做出的部件相當(dāng)于木模，可用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和鑄造行業(yè)。美國(guó)公司、和大學(xué)等已經(jīng)用方法制備陶瓷件，采用的原料為陶瓷膜，陶瓷膜是用傳統(tǒng)的流延法制備的。采用法制備的陶瓷材料有等。法制備的陶瓷件一般是用平面陶瓷膜相疊加而成的，現(xiàn)在已開(kāi)發(fā)出以曲面陶瓷膜相疊加的成型工藝，這一工藝是根據(jù)制備曲面陶瓷纖維復(fù)合材料的需要生產(chǎn)的，等人采用曲面法制備了纖維復(fù)合材料，與平面工藝相比，曲面工藝可保證曲面上纖維的連續(xù)性，而達(dá)到最佳的力學(xué)性能。另外，曲面工藝制備的陶瓷件還有無(wú)階梯效應(yīng)、表面光潔度高、加工速度快、省料的等優(yōu)點(diǎn)。熔化沉積造型（）熔化沉積造型法以熱塑性絲狀為原料，絲通過(guò)可在方向上移

7、動(dòng)的液化器熔化后噴嘴噴出，根據(jù)所涉及部件的每一層形狀，逐條線、逐個(gè)層的堆積出部件。使用的原材料有聚丙烯、鑄造石蠟等。采用工藝制備陶瓷件叫。這種工藝是將陶瓷粉末和有機(jī)粘結(jié)劑相混合，用擠出機(jī)或毛細(xì)血管流變儀做成絲后用設(shè)備做出陶瓷件生胚，通過(guò)粘結(jié)劑的去除和陶瓷生胚的燒結(jié)，得到較高密度的陶瓷件。適用于工藝的絲狀材料必須具備一定的熱性能和機(jī)械性能，黏度、粘結(jié)性能、彈性模量、強(qiáng)度是衡量絲狀材料的四個(gè)要素?；谶@樣的限制條件，大學(xué)的陶瓷研究中心開(kāi)放出稱為系列的有機(jī)粘結(jié)劑。這種粘結(jié)劑由四中組元組成：高分子、調(diào)節(jié)劑、彈性體、蠟。等人用制備了陶瓷件，所用的陶瓷粉為氮化硅，體積分?jǐn)?shù)為。由于粘結(jié)劑是由四中具有不同熱解

8、溫度的組元組成，生胚中粘結(jié)劑的去除分為兩步進(jìn)行。第一步從室溫加熱到C,在此階段大部分粘結(jié)劑被去除。第二步是將生胚放入氧化鋁坩堝加熱至C,粘結(jié)劑中剩余的碳被去除掉。不同階段的加熱速度和保溫進(jìn)度根據(jù)零件的尺寸和形狀來(lái)確定。經(jīng)過(guò)這兩步處理后，陶瓷生胚變成多空狀，對(duì)生胚進(jìn)行氣壓燒結(jié)處理，生胚中所含的氧化物熔化并為多孔生胚的致密化提供液相。此外，等人用工藝制備出連通的高分子壓電復(fù)合材料。形狀沉積成型（）是由大學(xué)和大學(xué)開(kāi)發(fā)的，它是一種材料添加和去除相結(jié)合的反復(fù)過(guò)程。成型過(guò)程中，每一層材料首先沉積成近成型形狀，在下一層材料添加前，采用傳統(tǒng)的技術(shù)將其加工成凈成型形狀。采用和相結(jié)合的方法可以制備陶瓷件，這種工藝

9、叫。即先用做出模型，然后澆注陶瓷漿料，將模型融化掉，取出陶瓷生胚，經(jīng)燒結(jié)處理后就得到最終的陶瓷件。用制備陶瓷有以下優(yōu)點(diǎn)：能做出復(fù)雜幾何形狀的模型。制備的陶瓷是整體件，因此陶瓷件不存在層與層間的邊界和缺陷。模型的表面由機(jī)加工方法獲得，具有很好的光潔度，因此制備的陶瓷件也具有較高的表面光潔度。目前已采用制備出，材質(zhì)的渦輪、手柄、中心孔、噴嘴等樣品。其中，樣品的最大彎曲強(qiáng)度為。噴墨打印法噴墨打印法主要分為三維打印和噴墨沉積法。三維打印是由開(kāi)發(fā)出來(lái)的，首先將粉末鋪在工作臺(tái)上，通過(guò)噴嘴把粘結(jié)劑噴到選定的區(qū)域，將粉末粘結(jié)在一起，形成一個(gè)層，而后，工作臺(tái)下降，填粉后重復(fù)上述過(guò)程直至做出整個(gè)部件。所用的粘結(jié)劑

10、有硅膠、高分子粘結(jié)劑等。三維打印法可以方便地控制部件的成分和顯微結(jié)構(gòu)。噴墨沉積法是由大學(xué)的和研制出來(lái)的，它是將含有納米陶瓷粉的懸浮液直接由噴嘴噴出以沉積成陶瓷件。該工藝的關(guān)鍵是配置出分散均勻的陶瓷懸浮液，目前，使用的陶瓷材料有等。立體光刻（）是最早的一種快速成型技術(shù)，它以能在紫外光下固化的液相樹(shù)脂為原料，通過(guò)紫外光逐層固化液相樹(shù)脂制出整個(gè)部件。制備陶瓷件有以下兩種方式，包括直接法和間接法。直接法是以在紫外線下固化的液相樹(shù)脂為粘結(jié)劑，調(diào)制出含有體積分?jǐn)?shù)的液相樹(shù)脂懸浮液，應(yīng)用到裝置上，就能制備出陶瓷生坯，經(jīng)粘結(jié)劑去除及燒結(jié)等后處理過(guò)程，得到最終的陶瓷件。在該工藝中，紫外光能固化的厚度一般為納米,它

11、與陶瓷體積分?jǐn)?shù)和陶瓷與樹(shù)脂難熔指數(shù)差值的平方成反比，因此只有與樹(shù)脂難熔指數(shù)差值較小的陶瓷材料適合于直接法。目前，已采用該方法制備出，的結(jié)構(gòu)陶瓷件及羥基磷灰石的生物陶瓷件。間接法是先用做出模型，而后澆入陶瓷漿制得陶瓷件。該工藝適合于與樹(shù)脂難熔指數(shù)差值較大的陶瓷材料，等用間接法制備了材料的壓電陶瓷。選取激光燒結(jié)（）以堆積在工作平臺(tái)上的粉末為原料，高能激光器從粉末上掃描，將選定區(qū)域內(nèi)的粉末燒結(jié)以做出部件的每一個(gè)層。對(duì)于塑料件，激光完全燒結(jié)高分子粉末，得到最終成型件。陶瓷的燒結(jié)溫度很高，很難用激光直接燒結(jié)，可以將難熔的陶瓷粒子包覆上高分子粘結(jié)劑，應(yīng)用在設(shè)備上，激光熔化粘結(jié)劑以燒結(jié)各個(gè)層，從而制出陶瓷生

12、坯，通過(guò)粘結(jié)劑去除及燒結(jié)等后處理過(guò)程，就得到最終的陶瓷件。是最先用來(lái)制備陶瓷件的快速成型工藝，選用的陶瓷材料有、。陶瓷打印主要材料硅酸鋁陶瓷硅酸鋁是一種硅酸鹽，其化學(xué)式為，密度為到克立方厘米。具有廣泛的用途：.用于玻璃、陶器、顏料及油漆的填料。.是涂料中的鈦白粉和優(yōu)質(zhì)高嶺土的夢(mèng)想替代品，與顏料配合廣泛用于油漆、皮革、印染、油墨、造紙、塑料、橡膠等方面。.用來(lái)制作耐高溫防火隔音隔熱棉、板、管、縫氈、防火隔熱布、耐高溫紙、耐火保溫繩、帶、防火保溫針刺毯（有甩絲、噴吹）、磚，無(wú)機(jī)防火裝飾板。無(wú)機(jī)防火卷簾等。.用作膠黏劑和密封劑的填充劑，能夠提高硬度、白度、耐磨性、耐候性、貯存穩(wěn)定性。但是傳統(tǒng)的制造工

13、藝，生產(chǎn)效率低，復(fù)雜制件難以成型，限制了其在其它領(lǐng)域內(nèi)的廣泛使用，利用打印技術(shù)，將硅酸鋁陶瓷粉體用于打印陶瓷產(chǎn)品。打印的該陶瓷制品不透水、耐熱（可達(dá)°）、可回收、無(wú)毒，但其強(qiáng)度不高，可作為夢(mèng)想的炊具、餐具（杯、碗、盤子、蛋杯和杯墊）和燭臺(tái)、瓷磚、花瓶、藝術(shù)品等家居裝飾材料。英國(guó)布里斯托的西英格蘭大學(xué)（）的研究人員開(kāi)發(fā)出了一種改進(jìn)型的打印陶瓷技術(shù)，該技術(shù)可用于定制陶瓷餐具，比如漂亮的茶杯和復(fù)雜的裝飾物。根據(jù)數(shù)據(jù)可直接進(jìn)行打印、燒制、上釉和裝飾，消除了先前陶瓷產(chǎn)品原型沒(méi)法過(guò)火或測(cè)試釉質(zhì)的問(wèn)題。陶瓷在年，等人采用化學(xué)氣相沉積（）法制備單晶時(shí)，發(fā)現(xiàn)了特別軟的碳化物。其硬度表現(xiàn)為各向異性，垂直

14、于基面的硬度是平行于基面硬度的三倍。近年來(lái)，三元層狀碳化物因其兼具陶瓷和金屬的優(yōu)異性能而成為研究熱點(diǎn)。與超合金相比，具有優(yōu)異的高溫性能和疲勞損傷性能。在晶胞中，共棱的八面體被緊密堆積的原子層所分隔，其中與之間為典型的強(qiáng)共價(jià)鍵，而原子層平面與之間為類似于石墨層間的弱結(jié)合。熔點(diǎn)高達(dá)C,在C以下真空及惰性氣氛中不分解。結(jié)構(gòu)中存在的層間弱結(jié)合力價(jià)鍵使其具有平行于基面的開(kāi)裂能力，在斷裂時(shí)表現(xiàn)出曲線行為，韌性可達(dá)陶瓷的制備方法通常有自蔓延高溫反應(yīng)法、等離子放電燒結(jié)法、反應(yīng)熱壓法等。以上工藝都需要采用成型模具，這些模具的制造成本高且周期長(zhǎng)，如果部件形狀太復(fù)雜，則可操作性差。這些因素制約了陶瓷的應(yīng)用，而三維打

15、印成型工藝可克服以上工藝的不足。等人的研究表明，采用三維打印制備的陶瓷件孔隙率高達(dá),而三維打印結(jié)合冷等靜壓和燒結(jié)工藝可制備出致密的陶瓷，致密度可達(dá)。制備過(guò)程為：先采用反應(yīng)熱壓法將、石墨和反應(yīng)生成，然后研磨成粉體。粉體與水溶基粘結(jié)劑混合干燥后球磨過(guò)篩，粉體顆粒表面被粘結(jié)劑包覆，過(guò)篩后的顆粒直徑為。在三維打印過(guò)程中，水基溶液噴射在包覆粘結(jié)劑的，顆粒粉體上，顆粒被粘結(jié)成具有特定形狀的顆粒預(yù)制體。在冷等靜壓過(guò)程中顆粒預(yù)制體被致密化。燒結(jié)過(guò)程中，致密化的顆粒預(yù)制體被燒結(jié)成致密的陶瓷。以上復(fù)合工藝具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，在制備新型陶瓷部件方面極具潛力。但是這種工藝的線收縮率較大，高達(dá)。因此，如何克服三維打印工藝制

16、備材料孔隙率大以及后處理工藝線收縮率大的不足成為研究的重點(diǎn)。增韌復(fù)合材料金屬間化合物具有低密度（）、高彈性模量（）、高熔點(diǎn)（c）和良好的抗氧化性能等優(yōu)點(diǎn)，有望用于航空、航天工業(yè)熱結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。但是，的室溫?cái)嗔秧g性低（）、難于成型的特點(diǎn)限制了其應(yīng)用。具有高硬度（）和高模量（楊氏模量，剪切模量），具有作為彌散相增強(qiáng)增韌的功能。而增韌復(fù)合材料（）具有密度低、硬度高，抗腐蝕，抗磨損以及良好的高溫抗氧化性能。熔體滲透法是將低熔點(diǎn)金屬熔化滲入多孔陶瓷中制備陶瓷一金屬以及陶瓷基復(fù)合材料的通用工藝。將熔體鋁滲入多孔氧化鈦陶瓷中可反應(yīng)合成復(fù)合材料。目前，多孔陶瓷制備方法主要有冷壓成型結(jié)合高溫預(yù)燒結(jié)，熔體滲透工藝包括擠壓鑄造和氣壓滲透工藝。采用由組成的多孔陶瓷進(jìn)行擠壓鑄造或氣壓滲透，所制備的復(fù)合材料具有相互穿插的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各相結(jié)合致密、取向隨機(jī)分布，其抗彎強(qiáng)度為、斷裂韌性、硬度，如果在滲透過(guò)程中僅靠毛細(xì)管力使?jié)B透過(guò)程自發(fā)進(jìn)行，則稱之為無(wú)壓反應(yīng)熔體滲透工藝（簡(jiǎn)稱反應(yīng)熔俸滲透）。滲透速度取決于熔體在多孔陶瓷表面的潤(rùn)濕性，一般隨著滲透溫度的升高潤(rùn)濕性有所改善。采用粉體混合成型，燒結(jié)工藝制備陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料時(shí)，材料體積收縮高達(dá)。而反應(yīng)熔體滲透法成本低，可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的近尺寸制備以及多孔體的致密化。最近，等人采用三維打印工藝制