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《Ceramics International》:3D打印堇青石-氧化锆复合材料的机械增强

《Ceramics International》:3D打印堇青石-氧化锆复合材料的机械增强

  • 分类:资讯中心
  • 发布时间:2023-12-26 18:08
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【概要描述】报道了该研究的重点是制备用于光聚合3D打印的堇青石-氧化锆复合陶瓷浆料,并研究纳米氧化锆颗粒的添加量对高温烧结后制备的堇青石样品的力学性能的影响。研究还探讨了这类样品的强化机理,特别是增韧机理。

《Ceramics International》:3D打印堇青石-氧化锆复合材料的机械增强

【概要描述】报道了该研究的重点是制备用于光聚合3D打印的堇青石-氧化锆复合陶瓷浆料,并研究纳米氧化锆颗粒的添加量对高温烧结后制备的堇青石样品的力学性能的影响。研究还探讨了这类样品的强化机理,特别是增韧机理。

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2021年11月16日,深圳大学和国立台北工业大学的研究人员在《Ceramics International》上发表题为Mechanical reinforcement of 3D printed cordierite-zirconia composites的研究论文,报道了该研究的重点是制备用于光聚合3D打印的堇青石-氧化锆复合陶瓷浆料,并研究纳米氧化锆颗粒的添加量对高温烧结后制备的堇青石样品的力学性能的影响。研究还探讨了这类样品的强化机理,特别是增韧机理。

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884221035288

 

 

  研究简介  

 

本研究了一种亚微米级的堇青石-氧化锆复合陶瓷浆料,并制备了含有不同氧化锆含量的复合陶瓷浆料。我们使用立体光刻3D打印技术直接设计和制作了标准的弯曲强度和断裂韧性测试样品,并采用不同的烧结方案研究了机械增强效果。我们对样品的物理组成和微观结构进行了表征。添加了2wt%和6wt%的氧化锆后,复合材料的弯曲强度和断裂韧性达到最大值,分别为136MPa和1.8MPam1/2,比纯堇青石分别提高了44%和66%。通过微观结构分析,我们进一步解释了复合材料的强化增韧机理。这项研究为基于3D打印技术的陶瓷复合材料部件的机械测试和加固提供了一种替代的、直接的设计和制造方法。

 

 

图1堇青石和氧化锆粒度分布图。

 

 

 

图2 x射线衍射图:(a)ZrO2,(b)堇青石。

 

 

 

图3 坯体样品的脱脂和烧结曲线。

 

 

 

图4 SEVNB法的标准样本量及测试方法示意图。

 

 

 

图5不同氧化锆含量的浆料粘度随剪切速率的变化规律。

 

 

 

图6 x射线衍射图。

 

 

 

图7 氧化锆添加量和烧结温度对密度的影响(a)体积密度vs(b)相对密度,(c)相对密度vs不同烧结温度。

 

 

 

图8 扫描电镜二次电子成像:(a)ZC0粉末,(b)ZC10粉末,(c)烧结零件表面,(d)ZC0抛光表面,(e)ZC6抛光表面。

 

 

 

图9 相对密度vs.保温时间和加热速率。

 

 

 

图10 抗弯强度与加热速率和保温时间的关系。

 

 

 

图11 抗弯强度与氧化锆含量和烧结温度的关系:(a)氧化锆含量,(b)烧结温度(对于ZC6)。

 

 

 

图12 断裂韧性与氧化锆含量和烧结温度的关系:(a)氧化锆含量,(b)烧结温度(对于ZC6)。

 

 

 

图13(a)-(b)晶粒拉出,(c)-(d)穿晶断裂和晶间断裂。

 

 

 研究结论 

 

实验通过基于立体光刻光聚合的3D打印技术成功设计制备了堇青石-氧化锆陶瓷复合材料试验件,并进行了高温烧结。研究发现,随着氧化锆含量的增加,复合材料的堆积密度增大,但当氧化锆含量超过8%时,会导致气孔和裂纹,容重下降。最佳热处理方案为加热速率6℃/min,保温时间2h。随着氧化锆含量的增加,复合材料的抗弯强度增强,但断裂韧性先增大后减小。在保持氧化锆含量、打印参数、升温速率和保温时间不变的情况下,随着烧结温度的升高,试样的抗弯强度和断裂韧性均逐渐增大。该研究提供了一种基于3D打印技术的陶瓷复合材料零件制造方法。

 

 

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