陶瓷材料具有高強(qiáng)度、耐磨損、耐腐蝕和耐高溫等特點(diǎn)，在航空航天、生物醫(yī)療和電子信息等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，然而，如何制造復(fù)雜形狀陶瓷零件成為了一個(gè)重要的問(wèn)題。目前，增材制造正逐步成為解決復(fù)雜形狀陶瓷零件制造問(wèn)題的有效方式。
圖 陶瓷3D打印技術(shù)種類(lèi)
目前，主流的陶瓷增材制造技術(shù)有激光選區(qū)燒結(jié)(selective laser sintering,SLS)、激光選區(qū)熔化(selective laser melting，SLM)、三維噴印(three-dimensional printing,3DP)、熔融沉積制造(fused deposition modeling,FDM)、分層實(shí)體制造(laminated object manufacturing,LOM)、立體光固化(stereolithography,SL)、數(shù)字光處理(digital light processing,DLP)和直寫(xiě)成形(direct ink writing，DIW)等。作為一種先進(jìn)的制造技術(shù)，陶瓷增材制造在高性能陶瓷制造領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
根據(jù)陶瓷增材制造專(zhuān)用陶瓷材料形態(tài)的不同，增材制造專(zhuān)用陶瓷材料有粉材、絲材、片材和漿料/膏材等。通過(guò)不同的處理方式將陶瓷粉體制備成增材制造能夠直接使用的材料形態(tài)。
1、增材制造專(zhuān)用陶瓷粉材
目前，將陶瓷粉體作為原料的增材制造技術(shù)主要包括SLS、SLM 和間接(粘結(jié))3DP等。
1）SLS專(zhuān)用陶瓷材料
一般來(lái)說(shuō)，用于SLS成形的陶瓷材料是通過(guò)在陶瓷粉體中加入低熔點(diǎn)粘結(jié)劑制備而成，其中低熔點(diǎn)粘結(jié)劑的作用是將分散的陶瓷粉體粘結(jié)起來(lái)以成形陶瓷坯體。在制備SLS專(zhuān)用陶瓷粉體過(guò)程中，為了保證陶瓷粉體與低熔點(diǎn)粘結(jié)劑能夠混合均勻，目前主要采用機(jī)械混合法、溶劑蒸發(fā)法和溶解沉淀法等制粉方法，其中機(jī)械混合法是將不同原料粉末混合成相對(duì)均勻的粉體，而溶劑蒸發(fā)法和溶解沉淀法是將原材料制備成覆膜陶瓷粉體。與機(jī)械混合法制備的陶瓷粉體相比，采用溶劑蒸發(fā)法和溶解沉淀法制備的陶瓷粉體中的粘結(jié)劑等分散更加均勻。
SLS成形用陶瓷粉體材料主要有：Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4、TiC、高嶺土、堇青石和樹(shù)脂砂等。
SLS技術(shù)中通常采用的粘結(jié)劑主要包括：
有機(jī)粘結(jié)劑：環(huán)氧樹(shù)脂、尼龍等；
無(wú)機(jī)粘結(jié)劑：NH4H2PO4、B2O3等；
金屬粘結(jié)劑：Al粉等。
2）SLM專(zhuān)用陶瓷材料
相較于SLS，SLM成形不需要向粉體原材料中添加粘結(jié)劑，而是通過(guò)粉體自身的熔化來(lái)實(shí)現(xiàn)成形。SLM技術(shù)具有急冷急熱的特點(diǎn)，再加上陶瓷材料熔點(diǎn)高、硬度高、韌性差的特性，使得陶瓷零件的SLM成形極為困難。
圖 陶瓷材料+SLM打印陶瓷部件，來(lái)源：佳能
常用于SLM成形的陶瓷材料包括：Al2O3、ZrO2和莫來(lái)石等，其中分別以Al2O3、ZrO2及兩者的混合物作為陶瓷粉體材料進(jìn)行SLM成形的研究最多。
3）間接(粘結(jié))3DP專(zhuān)用陶瓷材料
與SLS和SLM相似，間接(粘結(jié))3DP也要求陶瓷粉本有合適的粒徑和較高的球形度，以便于打印時(shí)的鋪粉。份末的優(yōu)劣決定了成形件的質(zhì)量，為了改善粉末的鋪粉和零件成形效果，可以向陶瓷粉體中加入合適的添加劑。
2、增材制造專(zhuān)用陶瓷絲材
McNulty等提出將FDM成形的概念應(yīng)用于陶瓷零件制造并開(kāi)展了相關(guān)研究，他們將該技術(shù)稱(chēng)為陶瓷熔融沉積制造(fused deposition of ceramics,FDC)技術(shù)。FDC 技術(shù)使用陶瓷絲材作為打印材料，陶瓷絲材由陶瓷粉體和熱塑性聚合物混合制備，F(xiàn)DC設(shè)備工作時(shí)，陶瓷絲材受熱獲得一定的流動(dòng)性，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制，成形出預(yù)定的陶瓷素坯。
圖 SiC陶瓷絲材及其部件，來(lái)源：Nanovia
3、增材制造專(zhuān)用陶瓷片材
使用陶瓷片材作為打印材料的增材制造技術(shù)主要為L(zhǎng)OM。應(yīng)用LOM 技術(shù)制造工程陶瓷零件，首先要將陶瓷材料制備成陶瓷片材，然后再加工成形為復(fù)雜陶瓷零件素坯，后續(xù)經(jīng)過(guò)脫脂、燒結(jié)便可得到復(fù)雜陶瓷零件。
圖 LOM流延陶瓷片材，來(lái)源：DOI:10.3390/ma16155246
目前，制備LOM技術(shù)所用陶瓷片材的主要方法是流延法，可用于LOM 成形的陶瓷材料種類(lèi)主要包括Al2O3、SiC、Si3N4和 BaTiO3等。陶瓷素坯片材的質(zhì)量決定著最終產(chǎn)品的質(zhì)量。
4、增材制造專(zhuān)用陶瓷漿料/膏材
使用陶瓷漿料/膏材作為打印材料的增材制造技術(shù)包括SL、DLP、DIW和直接(噴墨)3DP等。漿料/膏材均可用于SL、DLP和DIW成形，但直接(噴墨)3DP只能使用漿料作為成形材料。
圖 氧化物陶瓷漿料，來(lái)源：奇遇科技
SL和DLP成形技術(shù)制備的陶瓷零件具有精度高、表面質(zhì)量好和力學(xué)性能優(yōu)異的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)該技術(shù)也是目前增材制造行業(yè)發(fā)展較為迅速的技術(shù)。與通過(guò)SL和DLP技術(shù)成形的零件相比，通過(guò)DIW和直接(噴墨)3DP技術(shù)成形的零件精度稍差。
陶瓷材料的光固化一般是以光敏樹(shù)脂作為載體，通過(guò)加入陶瓷粉體，可獲得用于成形的陶瓷光敏漿料/膏材。
常用于SL和DLP成形的陶瓷材料包括ZrO2、Al2O3、SiO2、羥基磷灰石、鋯鈦酸和鉛磷酸鈣等。
來(lái)源：何俊宏,吳甲民,陳安南,等.增材制造專(zhuān)用陶瓷材料及其成形技術(shù)[J].中國(guó)材料進(jìn)展,2020,39(05):337-348+363.
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