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国防科技大学《材料导报》:直写成型制备多孔陶瓷技术研究进展

国防科技大学《材料导报》:直写成型制备多孔陶瓷技术研究进展

  • 分类:行业动态
  • 发布时间:2022-11-30 16:40
  • 访问量:

【概要描述】

国防科技大学《材料导报》:直写成型制备多孔陶瓷技术研究进展

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  • 分类:行业动态
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针对直写成型制备多孔陶瓷技术,国防科技大学空天科学学院新型陶瓷纤维及其复合材料重点实验室在《材料导报》上发表题为“直写成型制备多孔陶瓷技术研究进展”的研究论文,综述了直写成型多孔陶瓷的技术方法及其在各领域的应用,详细分析了直写成型技术制备多孔陶 瓷材料的优劣势,提出了直写成型制备多孔陶瓷所面临的挑战,并对直写成型制备多孔陶瓷技术发展趋势 进行了展望。

原文链接:

https://kns.cnki.net/kcms/detail/50.1078.TB.20220128.1049.002.html

  文章简介  

多孔陶瓷具有耐高温、可控孔结构、高孔隙率、化学稳定性和生物惰性等特点,是应用于功能结构、 生物、催化和电气等领域的理想材料。传统多孔陶瓷的制造方法主要有颗粒堆积、添加造孔剂、发泡、溶胶-凝胶等。近年来,随着增材制造技术的发展,直写成型技术因其简单的设备构造和良好的浆料兼容性, 被广泛应用于制造复杂结构和图案的多孔陶瓷。本文综述了直写成型多孔陶瓷的技术方法及其在各领域的应用,详细分析了直写成型技术制备多孔陶瓷材料的优劣势,提出了直写成型制备多孔陶瓷所面临的挑战,并对直写成型制备多孔陶瓷技术发展趋势进行了展望。

  研究背景  

多孔陶瓷是结构内部具有大量连续或封闭气孔的较为特殊的一类陶瓷,利用材料中孔洞的结构和(或)表面积,结合材料本身的性质以达到所需要的热、电、磁、光等物理及化学性能,因此被广泛应用于航空航天、石油化工、建筑、生物医学等领域,涉及吸声隔音、催化载体、隔热换热等场合。
传统的多孔陶瓷制备一般依靠颗粒间不完全烧结、液相汽化/固相升华、造孔剂/前驱体分解、 模板法等方法。而 3D 打印技术的高速发展为多孔陶瓷材料的制备带来了新的启发。3D 打印技术是一系列快速原型成型技术的统称,是近 30 年来全球先进制造领域兴起的一项集光/机/ 电、计算机、数控及新材料于一体的先进制造技术,被誉为“第三次工业革命最具标志性的生产工具”。直写成型技术(Direct ink writing,DIW)作为一种比较新颖的 3D 打印技术,具备 3D 打印的一般优势, 可用于制备各种材质及性能的材料,应用领域非常广泛。直写成型技术的工作方式是使用喷嘴挤压出各种尺寸的浆料,利用受程序控制的平台移动喷嘴及浆料从而堆积出各种形状的生坯。该技术使用的浆料有很多种类,这些浆料都有流变性能(比如粘弹性、剪切稀化、屈服应力等),有利于 3D 打印过程的实施。直写成型制备的多孔陶瓷根据应用领域,可分为支柱材料、生物材料、催化材料及电气材料等。支柱材料具有较高的强度、模量及较低的密度,是优秀的承载、构件材料;生物多孔陶瓷由于其优异的生物相 容性,可用于制备人造骨骼等体内植入物;由于多孔陶瓷的高孔隙率,一些学者也将直写成型制备多孔陶瓷用于催化载体;陶瓷作为绝缘体具有较好的电学性能,在电气材料方向也屡见应用。
  研究内容解读  
目前直写成型制备多孔陶瓷仍然面临一些问题,如纯水基浆料中溶剂的快速蒸发以及难以控制浆料流变性能,该问题有望利用不同极性的溶剂中不同氢键的相互作用进行解决;不同场合下的直写成型多孔陶瓷定制也是一个需要解决的问题,而与计算机建模构型技术的结合或许可以满足个性化定制的需求;此外相比塑料、橡胶等常用材料,直写成型多孔陶瓷还具有成本偏高、抗裂抗碎能力不足等缺点,针对此问题,合适浆料体系的开发及增强相的添加是一个重要解决方向,此举或可在降低成本的同时提高直写成型多孔 陶瓷的力学性能。
本文综述了使用直写成型技术制备多孔陶瓷的方法及其研究进展,对近年来国内外使用直写成型技术制备多孔陶瓷的研究成果进行了总结,分析了直写成型技术的优势及局限,提出了未来的发展趋势,旨在为直写成型技术的推广及应用领域的扩展提供参考。

图 1 浆料的制备直写成型及效果(a)基于氢键作用增强浆料制备多孔陶瓷直写成型流程图;(b)直写成型旋 桨结构;(c)直写成型蜂窝结构;(d)直写成型多孔结构;(e-g)(b-d)的局部放大图像(比例尺:b-d 为 1 cm,e-g 为 1 mm)

图 9 (a)基于高沸点凝胶浆料的直写成型多孔陶瓷流程图;(b)3D 打印框架结构;(c)3D 打印蜂窝结构;(d)3D 打印单元结构(比例尺为 1 cm)

——END——

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