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《Journal of the European Ceramic Society》:基于还原光聚合的3D打印实现复杂形状和高性能氧化铝陶瓷刀具:一种通过偶联剂铝酸酯和硅烷偶联剂的新型表面改性策略

《Journal of the European Ceramic Society》:基于还原光聚合的3D打印实现复杂形状和高性能氧化铝陶瓷刀具:一种通过偶联剂铝酸酯和硅烷偶联剂的新型表面改性策略

  • 分类:资讯中心
  • 发布时间:2024-01-09 14:48
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【概要描述】报道了研究人员考察了不同浓度和种类的分散剂对氧化铝陶瓷悬浮液的稳定性和粘度的影响。

《Journal of the European Ceramic Society》:基于还原光聚合的3D打印实现复杂形状和高性能氧化铝陶瓷刀具:一种通过偶联剂铝酸酯和硅烷偶联剂的新型表面改性策略

【概要描述】报道了研究人员考察了不同浓度和种类的分散剂对氧化铝陶瓷悬浮液的稳定性和粘度的影响。

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2022年10月26日,东莞工业大学、广东工业大学、南加州大学、清华大学和中国航天材料与加工技术研究院的研究人员在《Journal of the European Ceramic Society》上发表题为Realization of complex-shaped and high-performance alumina ceramic cutting tools via Vat photopolymerization based 3D printing: A novel surface modification strategy through coupling agents aluminic acid ester and silane coupling agent的研究论文,报道了研究人员考察了不同浓度和种类的分散剂对氧化铝陶瓷悬浮液的稳定性和粘度的影响。研究了氧化铝陶瓷的固化行为,包括C-C双键转化率、聚合速率、固化深度和超宽等参数,并分析了热等静压前后氧化铝陶瓷的相对密度和力学性能。

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0955221922008421

 

 

 研究简介 

 

本文介绍了关于利用铝酸酯偶联剂和硅烷偶联剂改性后的Al2O3陶瓷刀具制备技术的研究成果。该研究采用了还原光聚合技术,并成功制备了带有切屑槽的Al2O3陶瓷刀具,这种刀具在表面加工质量和刀面磨损量方面表现优异。这项研究开创了制备高性能复杂形状的陶瓷刀具的新途径。

 

 

 

图1 (a)通过还原光聚合法制备高性能氧化铝刀具示意图;(b)技术图纸模型及不同层的图案。

 

 

 

图2 (a)ACA,(b)KH570。(c)ACA,(d)KH570。不同表面活性剂改性粉末的氧化铝悬浮液的剪切应力。

 

 

 

图3 (a)未改性和改性氧化铝粉的保留陶瓷悬浮液与时间的关系,(b)未改性和改性氧化铝粉的沉降速率与时间的关系,(c,d)未改性和改性氧化铝粉的粒度分布。

 

 

 

图4 未改性和改性Al2O3粉体的傅里叶红外光谱。

 

 

 

图5 (a)XPS宽测量光谱,(b)Al 2p光谱,(c)O 1s光谱,(d)Si 2p光谱。

 

 

 

图6 烧结后氧化铝陶瓷的SEM为:(a)PS,(b)PS后是HIP,烧结后氧化铝陶瓷的晶粒尺寸分布为:(c)PS,(d)PS后是HIP。

 

 

 

图7(a)经PS和PS后经HIP烧结的氧化铝陶瓷的力学性能;(b)本文和其他文献报道的氧化铝陶瓷的相对密度和抗弯强度

 

 

 

图8 (a)有沟槽陶瓷刀具(ACB)、无沟槽陶瓷刀具(AWCB)和京瓷商用陶瓷刀具(KA30),(b)刀面磨损随切削长度的曲线,(c)表面粗糙度随切削长度的曲线,(d,g)ACB、(e,h)AWCB和(f,i)KA30刀面磨损截面的SEM图像。

 

 

 

图9 (a、b)AWCB和ACB切削模拟中预测的切削力,(c、d)AWCB和ACB切削模拟中预测的温度,(e、f)AWCB和ACB切削模拟中预测的加工表面塑性应变。

 

 

 研究结论 

 

偶联剂对氧化铝悬浮液稳定性和流变性的影响研究显示,ACA更适合用于制备氧化铝悬浮液,因为它在氧化铝粉上的作用机理能提高悬浮液的稳定性和流变性。

RT-IR表征的陶瓷悬浮液固化动力学显示,含有改性剂的Al2O3悬浮液中,碳碳双键的转化率低于未改性Al2O3粉末的Al2O3悬浮液。这表明改性剂可能影响固化过程。此外,含有改性粉末的悬浮液减少了多余的固化宽度,有利于提高样品精度。通过Comsol验证,吸光度对入射光源分布的影响也得到了确认。

PS后进行HIP处理,可以提高3D打印Al2O3陶瓷的力学性能。处理后的相对密度、硬度、抗弯强度和断裂韧性均有所提升。

采用基于vpp的3D打印技术制备的高性能带凹槽的Al2O3陶瓷刀具,与不带槽的刀具和京瓷商用陶瓷刀具相比,具有最佳的表面加工质量和中等的刀面磨损量。对不同陶瓷刀具的磨损机理进行了分析,并利用第三波AdvantEdge有限元软件模拟了AWCB和ACB刀具对HT250铸铁的二维切削过程。

 

——END——

 

奇遇科技自主研发并在售的陶瓷3D打印机,可打印氧化铝镂空八角花结构,提供涵盖“3D打印材料+打印设备+脱脂烧结工艺”的一站式系统解决方案,已同上百家科研院所开展合作,欢迎来电咨询。

 

 

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