陶瓷結(jié)實、輕便并且比許多金屬更耐熱，是制造飛機(jī)或火箭零件的理想材料。日前，著名研究機(jī)構(gòu)HRL實驗室開發(fā)的一種新型3D打印技術(shù)，使它們能夠克服傳統(tǒng)陶瓷加工的限制，創(chuàng)造堅固、無瑕的陶瓷制品。例如，航天飛機(jī)上的隔熱磚就是由陶瓷制成的。
陶瓷3D打印機(jī)可以建造太空飛船
研究人員說，他們的技術(shù)將使任何人都能3D打印幾乎不會破裂的陶瓷，這些3D打印陶瓷可以被制作成復(fù)雜、彎曲或多孔的形狀。陶瓷的主要優(yōu)點之一是它們在高溫下具有高度的穩(wěn)定性，此外還具有優(yōu)良的環(huán)境耐性和強(qiáng)度。
研究人員一直在尋找方法來3D打印陶瓷，主要障礙之一是陶瓷顆粒的屬性，因為這些陶瓷顆粒在加熱時不會結(jié)合在一起。因此，已經(jīng)開發(fā)出的少數(shù)3D打印技術(shù)生產(chǎn)陶瓷的速度緩慢，并且生產(chǎn)出的物品也容易破裂。
HRL的高級化學(xué)工程師Zak Eckel和高級化學(xué)博士Chaoyin Zhou采用硅氧基聚合物改進(jìn)了這些工藝，在聚合時限制紫外光使得增材物品不需要UV固化步驟。該發(fā)明基本上是一種樹脂配方，幾乎可以被3D打印成任何形狀和尺寸的零件。
“我們團(tuán)隊克服陶瓷工藝的固有挑戰(zhàn)，開發(fā)出一種在各類行業(yè)有無數(shù)用途的新材料，”HRL Sensors和Materials Laboratory的資深科學(xué)家Tobias Schaedler博士解釋說。“所得到的材料可以承受超過1700°C的高溫，并且表現(xiàn)出高于類似材料十倍的強(qiáng)度。”
當(dāng)聚合物被打印后，該零件被加熱到高溫燃燒掉氧原子，從而形成一個高度致密和堅固的碳化硅產(chǎn)品，它可以承受超過1700°C的高溫，并表現(xiàn)出高于類似材料十倍的強(qiáng)度。
“從噴氣發(fā)動機(jī)和超音速飛行器的大型構(gòu)件，到微機(jī)電系統(tǒng)和電子器件包裝中的復(fù)雜零件，通過該工藝都可以制作，”Schaedler解釋說。HRL 和 DARPA所資助的該研究的進(jìn)一步技術(shù)信息，包含在本月Science的報告中，351卷第6268頁58-62行。
“與金屬和聚合物相比，陶瓷極高的熔點增加了增材制造的挑戰(zhàn)。由于陶瓷不容易被鑄造或加工，3D打印在幾何可塑性方面是一個大飛躍。我們報告的有機(jī)單體，在光固化3D打印機(jī)上或通過圖案化的掩模進(jìn)行紫外光固化，形成了有復(fù)雜形狀和蜂窩結(jié)構(gòu)的3D聚合物結(jié)構(gòu)。
這些聚合物結(jié)構(gòu)可以被熱解成均勻收縮幾乎無孔的陶瓷。用這種方法制備的碳氧化硅晶陣和蜂窩材料比相同密度的泡沫陶瓷有更高的強(qiáng)度。這些材料的增材制造對于推進(jìn)部件、熱防護(hù)系統(tǒng)、多孔燃燒器、微機(jī)電系統(tǒng)、電子設(shè)備包裝均有幫助。”
“通過新的3D打印工藝，我們可以充分利用碳氧化硅陶瓷的許多優(yōu)良性能，如高硬度、強(qiáng)度及耐高溫性能以及抗磨損和腐蝕。”項目經(jīng)理Tobias Schaedler博士說。
該方法有利于航空航天和國防工業(yè)
在大多數(shù)情況下，耐熱陶瓷很難3D打印的，因為它們必須承受極高的溫度才能融化，因而大多數(shù)通過增材制造生產(chǎn)陶瓷材料的最新技術(shù)往往是受限的，Popular Mechanics說。
Eckel和他的同事們找到了一種類似于塑料的材料，當(dāng)它在爐內(nèi)加熱時會變換成陶瓷。該材料是由樹脂制成，在氬氣的保護(hù)下使用紫外線照射并加熱到1000攝氏度，被轉(zhuǎn)換成100微米厚的塑料狀物質(zhì)，他們補(bǔ)充說。
HRL Laboratories的工程師Zak Eckel說，花費這么長時間從3D打印機(jī)上得到陶瓷制品因為“陶瓷工藝是非常困難的工藝”。但由于他的工作，這些都已改變。Eckel和他的團(tuán)隊已經(jīng)成功地打印出一種材料，它最初看起來像塑料，但一旦加熱就會變成陶瓷。正如Popular Mechanics解釋的，“該團(tuán)隊使用一臺3000美元的打印機(jī)來打印100微米厚的層，這是通過樹脂制作的塑料樣的材料。樹脂包含了形成堅韌陶瓷需要的所有分子。打印的過程是通過紫外線小心蝕刻樹脂層，將小分子團(tuán)（稱為單體）融合成長的塑料狀鏈（稱為聚合物）。”
首次制造3D打印碳化硅陶瓷的初步試驗被證明是成功的，Eckel團(tuán)隊認(rèn)為他們也可以使用同樣的方法制作其他類型的陶瓷。他們的工作可能有益于航空航天業(yè)，其火箭的許多部分依賴陶瓷元件，這也引起了DARPA的興趣。
使用電子顯微鏡分析最終產(chǎn)品，研究人員檢測到無氣孔或表面裂紋。進(jìn)一步的測試表明，陶瓷材料能承受1400攝氏度（2552華氏度）才會開裂或收縮。
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