耐熱陶瓷可用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件、火箭噴嘴和頭錐等組件，這些組件要對(duì)付高溫或極端環(huán)境。麻煩在于這些熱穩(wěn)定工程陶瓷不容易鑄造或加工成必要的復(fù)雜外形。
最近幾年，3D打印工藝的開發(fā)大大增加了制造陶瓷的幾何靈活性。但是無論是沉積包含陶瓷微粒的光敏樹脂的工藝，在陶瓷微粒上噴射粘結(jié)劑的工藝，還是利用激光熔融陶瓷粉末床，當(dāng)前的增材制造手段都受制造速度的限制。而且，經(jīng)常伴隨費(fèi)時(shí)的粘結(jié)劑清除過程。無論如何，最終組件的物理性質(zhì)都不是最優(yōu)的，會(huì)產(chǎn)生不可靠、低強(qiáng)度的零件，而出現(xiàn)殘余孔隙、裂紋和/或不均勻。
一項(xiàng)新的增材制造技術(shù)由波音和通用汽車聯(lián)合擁有的HRL實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出來，并驗(yàn)證了其更快、更易制造復(fù)雜外形高強(qiáng)陶瓷組件的能力。HRL的高級(jí)化學(xué)工程師Eckel和化學(xué)家發(fā)明了一種聚合物樹脂配方，能夠3D打印成具有復(fù)雜外形的生零件，然后在爐中燒制，樹脂熱解，零件均勻收縮成高密度陶瓷。
HRL項(xiàng)目經(jīng)理表示：“有了我們的新型3D打印工藝，我們可以充分利用碳氧化硅陶瓷的許多優(yōu)良性質(zhì)，包括高硬度、強(qiáng)度和溫度能力，以及耐磨和耐腐蝕性。”這樣的蜂窩陶瓷材料能夠作為高溫應(yīng)用中的輕質(zhì)、承載三明治板的芯體，比如高超飛行器和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。
——打印陶瓷前驅(qū)體單體
Eckel表示：“我們直接從陶瓷前驅(qū)體聚合物打印全致密零件。首個(gè)方法是立體平板印刷，我們用激光凝固、聚合一種特殊的紫外固化陶瓷前驅(qū)體樹脂和一個(gè)紫外光引發(fā)劑，以成形復(fù)雜外形，但這仍需數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天。”
這是為什么HRL團(tuán)隊(duì)還關(guān)注自產(chǎn)的技術(shù)，能夠更快地大批生產(chǎn)生零件。作為一項(xiàng)持續(xù)10年的旨在開發(fā)輕質(zhì)、高強(qiáng)材料的DARPA合同的一部分，研究人員開發(fā)了一種方法，“使紫外光在前驅(qū)體樹脂槽全程都集中直到底部”，加速制造。
技巧在于使用紫外燈穿過平版印刷蒙版中的孔的同時(shí)凝固材料，與此同時(shí)，在受照軸內(nèi)校準(zhǔn)光線以全程硬化直到底部。在這個(gè)“自蔓延光聚物波導(dǎo)方法”中，光通過一個(gè)波導(dǎo)效應(yīng)，基于對(duì)樹脂柱的內(nèi)部表面連續(xù)向下反射，而穿透它。這個(gè)工藝創(chuàng)造了特別輕質(zhì)但高強(qiáng)的桁架結(jié)構(gòu)。
“我們生產(chǎn)了一個(gè)超輕鎳微柵格，暫時(shí)是世界上最輕的材料；現(xiàn)在是世界最輕的金屬材料。”
——多陶瓷配方
今天他們正在將這種增材制造技術(shù)應(yīng)用高溫陶瓷組件。兩種紫外硬化工藝可以最終生產(chǎn)許多不同的陶瓷材料，但是最開始團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了一種碳氧化硅陶瓷，成形為一種復(fù)雜多孔的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，能夠抵抗超過1700°C (3092°F)的超高溫，展現(xiàn)出10倍于類似蜂窩陶瓷材料的強(qiáng)度。
Eckel表示：“從技術(shù)上講，非晶態(tài)剝離微結(jié)構(gòu)是一種玻璃和碳的混合物；在納米尺度它分隔為微細(xì)的二氧化硅區(qū)域，被石墨層環(huán)繞。我們利用了某種特殊的化學(xué)。陶瓷前驅(qū)體聚合物和聚合物衍生陶瓷非常普遍。這類材料最初在20世紀(jì)60年代研制出來。”
當(dāng)在一個(gè)惰性氣氛如氬氣中熱處理到1000°C (1832°F) 使，它們熱解，成形為許多陶瓷化合物，包括碳化硅、氮化硅、氮化鋁和多種碳氮化物。同時(shí)，揮發(fā)化學(xué)物如甲烷、氫、二氧化碳、水和烴等走掉，留下幾近致密的、縮小的陶瓷外形。
通過把多種有機(jī)分子群與無機(jī)硅基或碳基主成分如硅氧烷、硅氮烷或碳硅烷粘合，研究團(tuán)隊(duì)能夠設(shè)計(jì)這種紫外活躍的陶瓷前驅(qū)體單體，它在適度照射時(shí)強(qiáng)烈交聯(lián)。
——均勻收縮
在《科學(xué)》雜志“聚合物衍生陶瓷增材制造”論文的試驗(yàn)報(bào)告中，碳氧化硅前驅(qū)體圖案在爐中的轉(zhuǎn)化過程中，經(jīng)歷了42%的質(zhì)量損失和30%的線性收縮。但是團(tuán)隊(duì)用“異常的均勻”來描述這個(gè)收縮，幾乎像以前傳說中的南海獵頭人的縮水之頭，收縮件特征的相對(duì)比例保持相同。
HRL團(tuán)隊(duì)已經(jīng)使用陶瓷實(shí)驗(yàn)室技術(shù)生產(chǎn)薄元件桁架結(jié)構(gòu)——演示用的多重微結(jié)構(gòu)、蜂窩、凹蜂窩——展現(xiàn)出驚人的靈活性。他們還制造了許多東西，從螺旋錐到火箭噴嘴、導(dǎo)彈錐頭、燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片和微葉輪。
這種聚合物衍生陶瓷材料的增材制造不僅可用于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和高超飛行器的推進(jìn)組件，還能用于熱防護(hù)系統(tǒng)、多孔爐、微機(jī)電系統(tǒng)和電子器件封裝。HRL正在為該技術(shù)尋找商業(yè)化伙伴。
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