美國HRL團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)高分子陶瓷3D打印

利用3D打印技術(shù)，可以制備出傳統(tǒng)成型技術(shù)難以或無法獲得的各種復(fù)雜形狀的陶瓷產(chǎn)品。我們可以將陶瓷粉末與塑料等粘結(jié)劑進(jìn)行均勻混合，制備出所需的打印材料，然后通過計(jì)算機(jī)輔助，設(shè)計(jì)出客戶所需的各種形狀，并通過打印機(jī)打印出所需的產(chǎn)品，因此3D打印陶瓷技術(shù)成為科研人員關(guān)注的一個(gè)重要技術(shù)發(fā)展方向。

但是3D打印陶瓷技術(shù)往往會(huì)造成材料中微小的缺陷，導(dǎo)致成品容易出現(xiàn)裂紋，其主要原因在于：原料中加入了大量的粘結(jié)劑，3D打印過程中粉體經(jīng)粘結(jié)劑粘合,形成不同形狀的陶瓷素坯，這種方法獲得的陶瓷素坯密度較低，然后再在高溫?zé)Y(jié)爐中燒結(jié)，在燒結(jié)過程中,粘結(jié)劑排出產(chǎn)生大量氣體容易形成裂紋。因此目前利用3D打印技術(shù)制備陶瓷應(yīng)用還不是非常廣泛。

目前，有美國團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功通過3D打印技術(shù)獲得比較完整的陶瓷產(chǎn)品，成品率較高，這些思路值得我們借鑒。美國HRL實(shí)驗(yàn)室的科研人員實(shí)現(xiàn)了高分子陶瓷的3D打印，采用該方法制備高強(qiáng)度陶瓷產(chǎn)品。HRL實(shí)驗(yàn)室科研人員采用了一種新思路：先將可以轉(zhuǎn)變成陶瓷的原料進(jìn)行3D打印，再進(jìn)行處理轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾僧a(chǎn)品。

HRL團(tuán)隊(duì)首先開發(fā)出一種可3D打印的陶瓷聚合物前體，在激光打印成型后再進(jìn)行加熱使之變成陶瓷，這種聚合物材料支持常見的激光3D打印技術(shù)，可以打印出復(fù)雜度更高的陶瓷物體，且速度比傳統(tǒng)的立體選擇性激光打印方法快100~1000倍。

更重要的是，HRL公司發(fā)明的這種3D打印聚合物，陶瓷強(qiáng)度高達(dá)當(dāng)前商用泡沫陶瓷的10倍。據(jù)了解，高強(qiáng)度耐高溫陶瓷材料在航天工業(yè)有重要的用途，航天器中大量采用陶瓷元件，例如機(jī)翼板和軌道火箭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

目前，美國國防部高級研究計(jì)劃局(DARPA)已經(jīng)授予該團(tuán)隊(duì)燒蝕陶瓷外殼的開發(fā)合同，該外殼將用于航天器的隔熱層，用于抵御返回大氣層時(shí)產(chǎn)生的熱量。

該方法未來可在航空航天領(lǐng)域得到廣泛使用，比如發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片，防護(hù)隔熱材料，新型隱身武器吸波材料，大型空間反射鏡和空間反射鏡支撐結(jié)構(gòu)件等等，這些結(jié)構(gòu)材料往往形狀比較復(fù)雜，利用傳統(tǒng)的技術(shù)方法制備成本較高或者周期較長，我們可以找到相應(yīng)結(jié)構(gòu)材料所對應(yīng)的前驅(qū)體聚合物，采用該3D打印技術(shù)來解決這些難題。

此外，美國Amedica公司也宣布首次使用一種被稱為機(jī)械沉積（Robotic deposition或Robocasting）的3D打印技術(shù)制造出復(fù)雜的氮化硅3D結(jié)構(gòu)。

所謂機(jī)械沉積，是一種使用致密陶瓷和復(fù)合材料進(jìn)行高膠態(tài)泥漿層積的成型技術(shù)。這一工藝可以使用更少的粘結(jié)劑，而且陶瓷可以在24h之內(nèi)完全燒結(jié)。

鑒于上述優(yōu)點(diǎn)，Amedica目前正在推進(jìn)3D打印氮化硅植入物的商業(yè)化，而且這種3D打印的植入裝置可以通過控制其孔隙率水平以滿足特定的臨床需求。據(jù)稱，這種獨(dú)特的制造工藝在氮化硅植入物成型制造方面有很好的前景，同時(shí)也可以定制化制造，用于細(xì)胞分化和新生血管的骨支架。

被稱為“機(jī)械沉積”的3D打印技術(shù)制造氮化硅3D結(jié)構(gòu)

利用該3D打印技術(shù)可生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)醫(yī)療植入物，如脊柱植入物，髖部植入物，其優(yōu)勢在于：植入物進(jìn)入人體后，有機(jī)骨骼生長的過程中很容易滋生細(xì)菌，引起并發(fā)癥，而氧化硅具有抗菌的效果，同時(shí)可以減少植入物和周圍骨骼間的生物膜吸收蛋白質(zhì)、細(xì)胞和養(yǎng)分，從而促進(jìn)骨骼的生長。


來源：科普中國
作者：中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所結(jié)構(gòu)陶瓷工程研究中心  陳健
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