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《Ceramics International》:基于dlp的立体光刻技术研究具有纹理微观结构的等轴片状氧化铝增强氧化锆陶瓷的高强化效率

《Ceramics International》:基于dlp的立体光刻技术研究具有纹理微观结构的等轴片状氧化铝增强氧化锆陶瓷的高强化效率

  • 分类:资讯中心
  • 发布时间:2024-01-02 15:07
  • 访问量:

【概要描述】基于DLP工艺的研究,旨在通过添加Al2O3等轴颗粒和血小板来增强ZrO2陶瓷,制造具有高度水平纹理的ATZ陶瓷的可行性。

《Ceramics International》:基于dlp的立体光刻技术研究具有纹理微观结构的等轴片状氧化铝增强氧化锆陶瓷的高强化效率

【概要描述】基于DLP工艺的研究,旨在通过添加Al2O3等轴颗粒和血小板来增强ZrO2陶瓷,制造具有高度水平纹理的ATZ陶瓷的可行性。

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2023年11月4日,济南大学和山东工业陶瓷研究设计院有限公司的研究人员在《Ceramics International》上发表题为Towards high strengthening efficiency of equiaxed and platelet-shaped alumina reinforced zirconia ceramics with textured microstructure using DLP-based stereolithography的研究论文,报道了基于DLP工艺的研究,旨在通过添加Al2O3等轴颗粒和血小板来增强ZrO2陶瓷,制造具有高度水平纹理的ATZ陶瓷的可行性。

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884223034715

 

 

 

  研究简介  

 

ZrO2-Al2O3(ATZ)陶瓷因其良好的机械性能和生物相容性,在生物医学应用中备受关注。但在结构陶瓷中,强度和韧性往往是相互矛盾的。该研究利用数字光处理技术,在ZrO2基体中加入了高纵横比的Al2O3薄片和等轴颗粒,制备出具有明显晶体取向的新型织构化ATZ陶瓷。在不降低强度的情况下,织构化ATZ陶瓷的断裂韧性达到了16.9±0.8MPam1/2,比未织构化ZrO2陶瓷的断裂韧性提高了67.3%。这种提高主要得益于宏观层次的结构设计、等轴片状Al2O3颗粒和ZrO2颗粒的耦合增韧作用。3D打印技术制备的片层结构可以有效地耗散能量。此外,双形态的Al2O3颗粒在ZrO2基体的相变过程中产生裂纹偏转和裂纹分支,这是重要的微观增韧机制之一。

 

 

图1 悬浮粉末的微观形貌:(a)ZrO2纳米颗粒;(b)Al2O3亚微米粉体;(c)Al2O3微血小板。

 

 

 

图2 粘度-剪切速率曲线(a)和剪切速率为30s-1(b)时陶瓷浆料的粘度结果。

 

 

 

图3 (a)TG-DSC曲线和(b)坯体脱脂方案。(读者可参阅本文的网页版本,以了解该图例中有关颜色的解释。)

 

 

 

图4 不同Al2O3浓度ZrO2陶瓷的XRD谱图。

 

 

 

图5 (a)线性收缩率和(b)相对密度。

 

 

 

图6 烧结试样自然截面的SEM图像:(a)P0M0;(b)P0M8;(c)P2M6;(d)P4M4;(e)P6M2;(f)P8M0。

 

 

 

图7烧结试样的显微组织:(a)P0M0;(b)P0M8;(c)P2M6;(d)P4M4;(e)P6M2;P8M0(f)。

 

 

 

图8 (a)P2M6的SEM图像和EDS图谱分析;(b)(a)中1号点的EDS谱;(c)(a)中2号点的EDS谱。

 

 

 

图9 烧结试样中ZrO2和Al2O3-MP的晶粒尺寸分布:(a)P0M0;(b)P0M8;(c)P2M6;(d)P4M4;(e)P6M2;P8M0(f)。

 

 

 

图10 不同成分陶瓷试样的断口形貌:(a)P0M0;(b)P0M8;(c)P2M6;(d)P4M4;(e)P6M2;(f)P8M0

 

 

 

图11 SENB测试后烧结试样的断裂路径:(a)P0M0;(b)P0M8;(c)P2M6;(d)P4M4;(e,f,g)P6M2;P8M0(h)。

 

 

 

图12 P6M2中裂纹扩展的细节,显示了多重增韧机制。

 

 

 研究结论 

采用DLP技术成功制备了新型微细织构化ATZ陶瓷,并研究了不同体积分数Al2O3-PL和Al2O3-MP对ATZ陶瓷的增强分布、微观结构发展、力学性能及相应的增韧机理。

实验结果显示,随着血小板含量的增加,黏度降低。显微结构证实了晶粒中片状物的有效排列和择优取向控制,Al2O3等轴颗粒和片状物在ZrO2基体中均匀分布。在各个样本中,P0M8的相对密度最高,随着血小板体积分数的增加,密度逐渐下降。同时,硬度值随相对密度的增加而增加。

值得注意的是,在不降低强度的情况下,含有15vol%Al2O3-PL和5vol%Al2O3-MP的试样的断裂韧性达到16.9±0.8MPam1/2,比单片ZrO2提高了67.3%。这归因于宏观层状结构、等轴状和片状Al2O3颗粒以及纳米ZrO2颗粒的协同作用,能有效提高力学性能和断裂韧性。3D打印的层状结构能够有效地耗散能量和重新分布应变。等轴状和片状Al2O3颗粒的存在使得裂纹偏转和分支变得显著,同时伴随着ZrO2基体相变的增韧效应。这项研究提供了一种有前景的方法,可以用于制造具有显著增韧效果的复杂形状陶瓷材料。

 

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