多材料光固化打印制備高強度氧化鋁基陶瓷

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

傳統(tǒng)陶瓷部件的制造是對陶瓷粉末進行加工，進而獲得想要的結(jié)構(gòu)及性能。在許多情況下，陶瓷部件在進行燒結(jié)后需要金剛石刀具等進行下一步地加工。這樣的方法限定了陶瓷零件的復(fù)雜程度。為解決這個問題，出現(xiàn)了陶瓷零件的增材制造技術(shù)。然而，使用該技術(shù)對氧化鋁陶瓷進行制造時，氧化鋁陶瓷的強度并不高。在Open Ceramics刊登的一篇文章中，奧地利礦業(yè)大學Josef Schlacher等人提出了一種逐層沉積的工藝去實現(xiàn)多材料、高機械性能零件的增材制造，并成功制造出高強度的氧化鋁陶瓷。

通過采用一種多材料結(jié)合的制造方法，Josef Schlacher等人采用基于立體光刻的陶瓷制造技術(shù)，使用了分離漿料的雙缸系統(tǒng)，交替進行氧化鋁和氧化鋯層的打印，并首次制造出了高強度的氧化鋁基陶瓷（1GPa）。這種技術(shù)讓不同材料分層沉積，可以在表面層引入壓縮殘余應(yīng)力，提高了陶瓷材料的強度和穩(wěn)定性。分層沉積的樣品示意圖如圖一所示，其中A為氧化鋁，ZTA為氧化鋯。

圖一 3D打印的A-ZTA-A層壓板和單層A樣品示意圖

單塊樣品和多材料樣品中的缺陷如圖二所示。圖二中顯示了可以導(dǎo)致塊狀氧化鋁失效的微觀缺陷。從圖中可以看出，圖a）中的缺陷是塊狀氧化鋁的，它位于零件的表面，而在圖b）中，零件的缺陷位于亞表面。這種差異是多材料結(jié)構(gòu)具有高強度的一個原因。

圖二 單塊樣品和多材料樣品缺陷的微觀結(jié)構(gòu)

在陶瓷零件的3D打印中，借助于立體光刻技術(shù)的逐層制造特點，因而可以使氧化鋁-氧化鋯層夾在氧化鋁層中，從而引入了顯著的殘余壓應(yīng)力，進而得到高于1GPa的強度。比作為對比的整體氧化鋁（強度只有650MPa左右）有明顯優(yōu)勢。因而Josef Schlacher等人將多材料方法與3D打印技術(shù)結(jié)合的方法提供了制造具有更高強度和穩(wěn)定性的復(fù)雜零件的一個新工藝。

參考文獻：
Josef Schlacher, Anna-Katharina Hofer, Sebastian Geier, Irina Kraleva, Roman Papšík, Martin Schwentenwein, Raul Bermejo,Additive manufacturing of high-strength alumina through a multi-material approach,Open Ceramics,Volume 5,2021,100082
https://www.360powder.com/technology_details/index/7440.html