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行业新知 | 固体含量对DLP打印高岭土陶瓷结构和致密度的影响

行业新知 | 固体含量对DLP打印高岭土陶瓷结构和致密度的影响

  • 分类:资讯中心
  • 发布时间:2024-05-21 19:41
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【概要描述】具有复杂形状和定制性能的陶瓷材料的高精度加工目前引起了人们的广泛关注,但保持其尺寸精度仍然是一个挑战。在此,本文采用创新的数字光处理(DLP)3D打印技术来制造具有复杂结构的高岭土陶瓷,实现高精度和高致密度。

行业新知 | 固体含量对DLP打印高岭土陶瓷结构和致密度的影响

【概要描述】具有复杂形状和定制性能的陶瓷材料的高精度加工目前引起了人们的广泛关注,但保持其尺寸精度仍然是一个挑战。在此,本文采用创新的数字光处理(DLP)3D打印技术来制造具有复杂结构的高岭土陶瓷,实现高精度和高致密度。

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行业新知

近日,北京科技大学材料科学与工程学院的夏敏副教授在《Journal of Materials Research and Technology》上发表题为High-precision printing of intricately shaped kaolin ceramics by digital light processing: Impact of solid content on microstructure and densification的研究论文,通过数字光处理技术打印高精度、形状复杂的高岭土陶瓷,讨论了固体含量对微观结构和致密度的影响。

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.03.227
奇遇科技官网:http://www.adventuretech.cn/

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研究内容

具有复杂形状和定制性能的陶瓷材料的高精度加工目前引起了人们的广泛关注,但保持其尺寸精度仍然是一个挑战。在此,本文采用创新的数字光处理(DLP)3D打印技术来制造具有复杂结构的高岭土陶瓷,实现高精度和高致密度。

高岭土陶瓷的DLP 3D打印工艺如图1A所示,显示了DLP 3D打印制造的整个过程。高岭土陶瓷粉末的形貌和粒度分布以及合成浆料的粘度如图1B所示。图1e为浆料工艺的制备、可打印性分析和热解过程。

△图1 (A)VAT光聚合法制备高质量高岭土的过程概述(B)材料表征和浆料制备机理
 

根据TG-DSC测试结果,在1200℃下保温1h,可以最大限度地减少气孔、裂纹等缺陷,并减少收缩。脱脂过程在空气气氛下进行,以确保完全去除有机粘合剂和树脂(图2),空气气氛能够有效地去除陶瓷坯体中残留的树脂,这对于减小陶瓷样品孔隙率和改善其机械性能至关重要。

△  图2 样品烧结(a)脱脂和烧结过程的加热曲线(b)烧结前后固体含量不同的DLP 3D打印样品。
 

如图3所示,高岭土陶瓷试样的高倍率SEM图像揭示了打印层厚度,特别是沿Z轴方向的打印试样显示出层间间距(图3a),并形成致密的微观结构,这可归因于3D打印和烧结过程中的层对层沉积过程。使用DLP工艺打印的试样表面呈现出多层结构,具有大颗粒、层间间距和少量裂纹(图3b)。

△  图3 DLP增材制造的氧化铝陶瓷SEM图像。
 

不同固含量的高岭土陶瓷的收缩率、密度、孔隙率和吸水率如图4所示。对不同固化时间(如8s、10s和12s)的DLP打印试样进行了深入的比较,如图4a所示,给出了四种固体含量在不同固化深度下的收缩率。对不同曝光时间的分析表明,与XY轴相比,沿Z轴的收缩更高。在1200℃时,Z轴方向(19.11%)、X轴方向(12.81%)和Y轴方向(12.83%)的收缩率在固含量为47.5vol%最低。值得注意的是,固含量为45.3%的试样表现出最高的收缩率和最低的密度。

 
△  图4 物理性能评估 (a)不同固体含量43vol%至47.5vol%的试样相应固化深度的收缩率(b) 不同固体含量下的孔隙率和吸水率(c) 不同固化时间(s)试样密度的比较。
 

如图5a所示,不同固体含量的DLP 3D打印高岭土试样在1200 °C下抗弯强度为28.98-71.60 MPa,多孔结构的抗压强度为6.66 MPa(图5b)。烧结试样抗弯强度的提高主要是固体含量的提高,颗粒粘结和晶粒生长的结果。

 
 
△  图5(a)不同固体含量的抗弯强度(b)多孔结构的抗压强度。
 

研究结论

在这项工作中,采用DLP技术制造了具有不同固体含量的高精度复杂形状的高岭土陶瓷,旨在实现高致密度。固体含量和曝光时间的调整在改善物理性能和强度性能方面起着关键作用。所使用的DLP打印参数(层厚、光强度、曝光时间)决定了形貌特征和抗弯强度。在烧结到1200°C,固含量为47.5vol%时,收缩率低、孔隙率低、致密度高和抗弯强度强。

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