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3D打印製備新材料技術:製備出超輕金屬材料和陶瓷材料
查看:362  發稿日期:2018/12/24 9:58:54

近年來,波音下屬的HRL實驗室在利用3D打印技術製備新材料方麵取得了顯著成績,開發出一種稱為“自動傳布的光敏聚合物波導法”的成型技術。這種由HRL自主開發、能實現快速大批量生產原型零件的方法,是美國國防預研局(DARPA)授予的曆時10年的一項輕質、高強材料開發合同中的一部分。依靠該技術,HRL實驗室已於近期製備出超輕金屬材料和陶瓷材料。


基本原理及優點

自動傳布光敏聚合物波導法與立體平版印刷(SLA)/數字光處理(DLP)有相似之處,但又不完全相同,其訣竅是讓紫外線穿透平板印刷掩膜上的小孔,照射到樹脂上使其固化。與此同時,設置光波導直至樹脂槽底部,使受照的軸內光線得以校準。在該方法中,由於紫外線照射會衰減,因而要依靠樹脂柱內表麵連續向下反射而形成光波導,使得紫外線通過波導效應穿透液體樹脂。依靠該方法可創建出獨特的輕質、高強桁架結構。

與傳統3D打印方法相比,自動傳布光敏聚合物波導法從紫外線照射到形成固體材料僅需30s;而使用傳統的3D打印技術,如普通SLA打印機打印25~50mm高的物體,整個過程需要耗時4~8h。

自動傳布的光敏聚合物波導法可用於設計製造尺寸不同的微點陣結構,並可獲得不同的材料特性,如柔性、彈性、剛性以及韌性等。

用不同後處理方法得到不同的材料

盡管該方法可生產各種不同種類的微點陣材料,但其中也存有一些棘手的問題。首先是材料的Z軸性能嚴重受限,由於紫外線可穿透樹脂厚度的限製,材料的最大Z軸高度僅為約25mm;其次是樹脂材料在紫外線的照射下性能會產生退化。

製備超輕金屬和耐高溫陶瓷材料

采用不同的後處理方法,如塗層或鑄造,可以得到不同的最終材料。例如,鎳氣凝膠材料就是以電鍍的方式在樹脂微點陣結構的表麵鍍上一層超薄的鎳,製成超輕鎳基微點陣材料。在製造這種超輕材料時,首先采用3D打印技術製備所需結構的微點陣模板,再利用紫外線直接照射到光反應單體樹脂上,通過成千上萬的小洞、一個掩膜和一層石英,從而形成光波導,即可製造出3D微點陣結構。在造出微點陣結構以後,在微結構表麵進行化學鍍或者電鍍敷設金屬薄膜,在經燒蝕或化學刻蝕掉樹脂微結構後,即得到超輕空心管狀微點陣金屬材料。當然,如果不用金屬來製造鍍層,用其他材料也可以製成各種不同的微點陣結構,並且將具有不同的屬性。

陶瓷材料用於高溫或極端環境下的發動機熱端部件、火箭噴口和頭錐等,但將其通過鑄造或機械加工製成所需形狀非常困難。近年,3D打印工藝的出現使得複雜幾何形狀陶瓷件的加工生產成為可能。

但是,采用傳統3D打印工藝打印陶瓷時,無論是沉積含有陶瓷微粒的光敏樹脂、在陶瓷微粒上噴射黏結劑,還是利用激光熔融陶瓷粉末床,都會受到生產速度的限製,而且經常難以避免耗時較長的黏結劑清除過程。因而,目前3D打印出來的陶瓷AG8亞洲官網往往會出現裂縫或材料不均勻,可靠性及強度均較低。另外,目前的大部分3D打印陶瓷可使用的材料也隻有相對較低熔點的氧化物陶瓷,使零件的高溫性能受到限製。

HRL實驗室利用自動傳布的光敏聚合物波導法和新型聚合物樹脂配方,已驗證了快速製備高強、複雜幾何形狀陶瓷零件的能力。這種新型的聚合物樹脂由HRL實驗室的高級化學工程師Zak Eckel和資深化學家Chaoyin Zhou發明,在製造陶瓷部件時,首先將該樹脂製成具有複雜外形的零件,然後置於爐中燒製,待樹脂熱解後,材料即均勻收縮成高密度陶瓷零件。采用這種聚合物樹脂可以製造碳氧化矽陶瓷部件,具備高硬度、強度、耐高溫、耐磨以及耐腐蝕等性能。

在利用這種聚合物樹脂製造陶瓷前驅體單體時,HRL實驗室起初也是采用傳統的SLA工藝來製造複雜外形,但需要數小時甚至數天時間。為此HRL實驗室采用自動傳布光敏聚合物波導法來快速、大批量生產樹脂原型零件,不僅生產速度快,而且可以製造出微點陣結構的超輕陶瓷材料。這種方法可以製造耐溫超過1700℃的碳氧化矽陶瓷零件,其強度類似於蜂窩陶瓷材料的10倍左右,而且也可以製造其他陶瓷材料零件。

HRL實驗室表示,陶瓷前驅體聚合物以及聚合物衍生陶瓷研究並非剛剛興起。此類材料早在1960年代就已開發出來,當將其加熱到1000℃並處於氬氣等惰性氣體下,聚合物發生熱解,可形成許多種類陶瓷化合物,包括碳化矽、氮化矽、氮化硼、氮化鋁,以及各種碳氮化物等。與此同時,易揮發的化學物如甲烷、氫、二氧化碳、水以及碳氫化合物等揮發掉,即留下致密、收縮的陶瓷形狀。在HRL實驗室登載於2016年1月1日《科學》雜誌的“聚合物轉化陶瓷的增材製造” 實驗報告中,研究團隊表示在燒結過程中碳氧化矽前驅體聚合物產生了42%的重量損失及30%線性收縮,但其收縮“非常均勻”,因此是可以預測的,並可以據此來測算成品的尺寸。

目前,美國海軍實驗室已用該陶瓷製備技術製造出微尺度桁架結構,演示了多種多樣的微結構、蜂窩、凹蜂窩等,並表現出良好的柔性。

借助於新技術,HRL可製造出兩種實用的陶瓷AG8亞洲官網:一種是體積大重量卻非常輕的微點陣結構,可以用於製造飛機與航天器的耐熱板和其他外部部件;另一種是小型且複雜的部件,可用於製造機電係統、噴氣發動機或火箭部件等。

新材料和新工藝的應用前景

HRL實驗室開發的超輕材料減重可達40%,有望用於新一代航天器。一旦HRL完成進一步的測試,那些正在通過MCMA項目來尋求小型耐高溫部件的火箭和衛星設計者就很可能開始嚐試使用該項技術。

微點陣材料的成果雖然最近才見諸報道,實際其相關原理的研究在十幾年前就已開展。金屬微點陣結構被認為有可能在未來成為複合材料的強勁對手,當然複合材料也可以被做成微點陣結構,因此工業界認為複合材料在麵臨強力競爭的同時也存在機遇。

有機矽先驅體聚合物熱解轉化法製備陶瓷材料的研究,是當前高性能陶瓷材料研究的熱點和新的生長點。利用新型3D打印技術,陶瓷材料也可利用微點陣技術而成型出新的複雜結構,進而為高溫陶瓷材料的應用開辟新的道路。   


(來源:國際航空)

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