短纖維氧化物陶瓷基復合材料的增材制造：工藝分析與材料性能

來源：長三角G60激光聯盟

德國開姆尼茨理工大學、波蘭奧波萊理工大學、盧森堡科技學院（LIST）、德國開姆尼茨弗勞恩霍夫機床和成型技術研究所的科研人員報道了短纖維氧化物陶瓷基復合材料的增材制造：工藝分析與材料性能的研究。相關研究成果以“Additive manufacturing of short fiber oxide ceramic matrix composite: Process analysis and material properties”為題發(fā)表在《International Journal of Applied Ceramic Technology》上。

這項工作研究了基于材料擠壓的純氧化鋁基氧化物陶瓷基復合材料增材制造（AM）工藝鏈，從材料選擇、大規(guī)模復合成球、AM工藝本身、脫脂和燒結以及微觀結構和力學表征開始。復合顆粒中粘合劑（聚乙烯醇縮丁醛[PVB]、聚乙二醇[PEG]和硬脂酸）和氧化鋁（Al2O3、氧化鋁粉末和Nextel 610氧化鋁纖維）各占 50%，燒結后纖維體積占40%。這種材料在工業(yè)規(guī)模上的復合速度約為10 公斤/小時，基于材料擠壓的AM工藝速度可達 1000毫米/秒。進料速度的變化導致表面粗糙度顯著增加，質量增加30%，厚度增加12%，寬度增加25%。四點彎曲試驗中的抗彎行為可以用快速達到第一個峰值來描述，并在隨后出現第一條裂紋后達到更高的抗彎強度，平均值為23.8±3.6 MPa，低于.1%的伸長率。斷裂面顯示了預期的破壞機制，如拉出和裂紋偏轉。打印樣品中的纖維長度平均為140µm。

圖1：(A)雙螺桿擠出機通過熱模擠出進行混合和均化。(B) 雙傳送帶風干。(C)以約10公斤/小時的速度造粒。(D)收集顆粒。

圖2：(A) 采用固定擠出機頭和移動工作臺的材料擠出打印工藝。(B) 演示器的制造。

圖3：擠出機螺桿轉速分別為 10 rpm、11 rpm和 15 rpm 時生產的綠色樣品的表面質量差異。

圖4：以10轉/分的螺桿轉速和不同的底座速度生產的綠色板材。

圖5：(A) 不同壁厚的箱體演示。(B) 箱體演示器的俯視圖及其尺寸

圖6：兩個不同尺寸、帶內肋和不帶內肋的箱形樣板。

圖7：10 rpm 批次樣品24的部分輪廓測量。

圖8：樣品8、11、17 和 21 斷裂表面的掃描電子顯微鏡(SE)圖像（SE，10 kV，2000×）。

圖9：掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（SE，10 kV）。(A）整體（63×）。(B）用40 Vol.% 的纖維增強（72×）。

圖10：(A) 增材制造 (AM) 樣品和 (B) 陶瓷注射成型(CIM) 樣品的橫向切割 CT 圖像。

在未來的工作中，重點將放在進一步完善打印工藝上，以增強打印之間的粘附性和整合性，從而提高抗彎強度。還將探索在3D打印中加入連續(xù)纖維的先進技術，重點是優(yōu)化纖維分布和排列,以提高承重能力。此外，還將繼續(xù)研究和開發(fā)以載荷為導向的設計方法，以提高各種應用中打印組件的結構完整性和性能。此外，還將繼續(xù)開發(fā)以應用為導向的演示器，展示擬議技術在滿足特定行業(yè)需求方面的實際可行性。這些未來的努力將推動AM和連續(xù)纖維增強材料的發(fā)展，促進創(chuàng)造具有更強機械性能和結構彈性的高性能、特定應用 CMC產品。


論文鏈接：https://doi.org/10.1111/ijac.14842