2023年8月9日，广东工业大学机电工程学院和蒙娜丽莎集团股份有限公司在《Additive Manufacturing》上发表题为Enhanced curing behavior, mechanical and thermal properties of 3D printed aluminum nitride ceramics using a powder coating strategy的研究论文，报道了一项研究，利用PCS（表面改性技术）在AlN（氮化铝）粉末表面制备结晶铝酸钇涂层，以改变AlN粉末的表面特性，增强烧结添加剂在AlN基体中的均匀分布。研究中采用透射电子显微镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）对涂层的有效性和完整性进行了检验。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860423003457

  研究简介  

最近，研究人员使用基于数字光处理(DLP)的还原光聚合(VPP)技术制造高精度的氮化铝(AlN)陶瓷元件面临一些挑战，因为AlN粉末具有高折射率和紫外线吸收。为了解决这个问题，他们创造性地将粉末涂层策略(PCS)与基于DLP的VPP相结合，并优化了AlN陶瓷悬浮液的固化行为和流变性能，以实现烧结后AlN陶瓷的均匀微观结构。

这种新方法改善了AlN悬浮液的流变特性和固化特性。通过剪切速率为100 s^-1的测试，发现PCS陶瓷悬浮液的粘度比传统的球磨(BM)悬浮液低57.0%。此外，相对于BM悬浮液，在120 mJ/cm²的曝光能量下，固含量为45 vol%的PCS陶瓷悬浮液的固化深度和增宽深度分别提高了41.6%和25.8%，这意味着PCS有利于提高AlN陶瓷的3D打印速度和精度。

与传统的球磨方法相比，这种集成的PCS和DLP技术还能改善3D打印AlN陶瓷的微观结构均匀性。此外，用于测试的样品显示出更高的导热系数(144.11 W·m^-1·K^-1)和抗弯强度(400.07±13.49 MPa)。这种提高是由于半连接(样品BM)到隔离(样品PCS)的第二相分布发生变化所导致的。

最后，研究人员成功地利用这种集成工艺制造了翅片型氮化铝陶瓷散热器，从而证明了该方法在制造具有优异导热性和机械性能的复杂形状氮化铝陶瓷部件方面的有效性。

图1 (a) PCS AlN粉末的HAADF-TEM照片;(b) PCS粉末的代表性TEM图像;(c)高倍TEM图像，表示PCS粉末的表面;(d1-d2)从PCS粉末壳和芯记录的EDS谱图;(e1-e4) O、Y、N、Al的能谱图;

图2 BM和PCS复合粉末的XRD谱图。

图3 BM和PCS复合粉末的XPS扫描。

图4 粘度为25 vol% (a)和45 vol% (b)的BM和PCS陶瓷悬浮液。

图5 (a) Al₂O₃和Y₂O₃混合粉末烧结制备的铝酸钇的XRD谱图;(b)纯AlN陶瓷与铝酸钇与光敏树脂的接触角。

图6 BM和PCS复合粉末的紫外吸收特性。

图7 (a) BM和PCS陶瓷悬浮液的固化深度;(b) BM和PCS陶瓷悬浮液的多余固化宽度;(c)使用Beer-Lambert模型进行固化深度拟合，(d)使用准Beer-Lambert模型进行过量宽度拟合。

图8 (a)相同固化深度为40µm的BM和PCS陶瓷悬浮液单层固化样品;(b)打印宽度的SEM图像;

图9 样品的打印坯体表面的SEM图像:(a) BM和(b) PCS对应的Y的EDS映射结果。

图10 制备的AlN陶瓷样品的XRD谱图。

图11 不同放大倍数下BM (a、c)和PCS (b、d)试样断口的SEM图像。(c, d)的右上角显示了用虚线框标记的所选区域的局部放大图像。

 研究结论 

本研究提出了一种新的方法，将基于DLP的VPP与PCS相结合，以制造具有高尺寸精度、导热性、机械强度和微观结构均匀性的复杂形状AlN陶瓷散热器，并比传统基于DLP的VPP方法具有更快的3D打印速度。在研究中发现以下结论：

1) PCS AlN粉末表面包裹有一层结晶铝酸钇层，这种包覆层改善了AlN粉末表面的特性，并有利于改善PCS样品中添加剂的分散均匀性。

2) 与传统BM工艺相比，PCS通过增强陶瓷粉与光敏树脂的润湿性，有效降低了AlN悬浮液的粘度。采用PCS陶瓷悬浮液进行打印时，在120 mJ/cm²的能量下，45 vol%固含量的PCS陶瓷悬浮液可达到较高的超固化深度和增宽深度，分别比传统BM陶瓷悬浮液高41.59%和25.75%，从而提高了打印精度和固化效果。

3) PCS样品表现出较高的导热系数和抗弯强度（分别为134.13 W·m^-1·K^-1和364.64±32.72 MPa），相比之下，与传统BM样品相比，PCS样品分别提高了7.44%和9.72%。这是由于PCS样品的相对密度提高和孤立第二相分布的均匀性改善，说明PCS对于提高AlN陶瓷的导热性和机械强度具有积极作用。

4) 采用基于PCS和基于DLP的VPP工艺，成功制备了几何形状准确、无明显变形的翅片型AlN陶瓷散热器。因此，本研究提出的方法为氮化铝陶瓷在热管理应用方面提供了新的前景。