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2025
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行业新知丨DIW低温打印耐损伤分级多孔陶瓷
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行业新知丨DIW低温打印耐损伤分级多孔陶瓷
由于陶瓷材料的脆性，制备具有高效能量吸收和抗冲击能力的损伤容错多孔陶瓷一直是一个挑战。在自然界中，诸如乌贼骨和硅藻之类的矿化组织或生物已经进化出具有多级多孔结构来克服这一困难。近日，华中科技大学材料学院周华民、黄威教授带领团队在《International Journal of Extreme Manufacturing》发表了题为《Cryogenic 3D printing of damage tolerant hierarchical porous ceramics》的研究，他们提出了一种受生物启发的陶瓷晶格结构设计，其孔径从几纳米到几百微米不等。这些具有多级多孔结构的陶瓷晶格已通过DIW精细直写3D低温打印成功制备。
原文链接： https://DOI 10.1088/2631-7990/adb9a8
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研究内容
冷冻铸造和3D打印的结合是一种有吸引力且很有前景的策略，结合两者的优点，包括通过DIW3D打印实现具有设计大孔的复杂几何形状，以及通过冷冻铸造赋予的微孔甚至纳米孔 。用这种方法制备的材料在骨组织工程以及电池和可穿戴传感器应用中表现出优异的性能。本研究通过DIW低温3D打印设计和制造了分级多孔结构。由于在准静态压缩和高应变率冲击下孔隙从宏观到纳米尺度的逐渐坍塌，实现了非凡的损伤容限和能量吸收能力。
以下是文章的研究方法及数据：
图1，低温3D打印分级多孔结构。低温3D打印制备分级多孔陶瓷材料的示意图。图上线描绘了打印过程中的状态。细丝被挤出并沉积在冷冻板上。每根细丝中形成了冰枝晶和氧化铝聚集体。图下线展示了冷冻干燥和随后烧结后形成的支架示意图。微孔和纳米孔分别由升华和烧结过程形成。
△图2，3D打印Al 2 O 3 的分级多孔结构。 (a) 轻质氧化铝陶瓷支架（AOCH-0.8）放置在柔软的花瓣上。 (b) 重建的多孔结构的3D μ CT图像。 显示了AOCH-0.8的整体以及代表性细丝，分辨率分别为7μm和1μm。 (c) 重建的单丝μ CT图像和μ CT切片，其表面和内部都充满了孔隙。 (d)–(f) 从俯视角以不同放大倍数捕获的AOCH-0.8的SEM图像。 大孔根据设计的结构排列，而微孔由于冷冻干燥而随机分布在每根细丝上。 纳米孔存在于氧化铝纳米颗粒之间。 （g）–（i）不同放大倍数的 SEM 图像，展示了 AOCH-0.8 的内部侧视图。从侧面可以看出，孔隙呈层状垂直向上排列。（j）采用各种材料的 3D 低温打印支架，包括聚合物、陶瓷、金属和复合材料。
△图3，多级多孔支架的准静态和动态力学性能。(a)不同Al₂O₃基多孔陶瓷的压缩强度、压缩应变和SEA直方图。(b)不同Al₂O₃基多孔陶瓷的准静态应力-应变曲线。 ( c )AOCH-0.8的准静态应力-应变曲线，压缩过程分为弹性区、平台区和致密化区三个阶段。(d)低温3D打印制备各种材料的多孔结构样品的准静态应力-应变曲线，可见平台区较长。(e)应变速率为2 000 s -1 时AOCH-0.5、AOCH-0.8和AOCH-FC的动态应力-应变曲线。(f)不同密度下各种材料的SEA对比。不同类型的材料用不同的颜色区分。（g）不同孔隙率下不同多孔陶瓷的抗压强度比较。五边形符号代表我们的工作。
△图4，低温3D打印Al₂O₃的准静态和动态破坏。（a）Al₂O₃架（AOCH-0.8）在压缩应变从0到60%时的准静态破坏过程。（b）高速摄像机记录AOCH-0.8在SHPB冲击试验中的动态破坏过程。在准静态压缩和高应变率冲击中都观察到支架的逐渐失效。（c）通过原位μ CT对AOCH-0.8在准静态压缩过程中的渐进失效过程的3D重建显微照片。白色箭头表示裂纹的萌生和扩展，颜色渐变表示密度变化，蓝色代表较低密度，红色代表较高密度。（d）准静态压缩后AOCH-0.8的SEM图像。白色箭头标记了裂纹扩展和矿物桥坍塌的方向。黄色区域突出显示了 AOCH-0.8 顶部被压缩的地方。（e）采用不同制备方法的各种陶瓷的落球冲击试验。
△图 5.有限元模拟和能量吸收机制。（a）AOCH-0.8 在准静态压缩下模拟失效过程的横截面轮廓，显示了随着压缩应变的增加，从上图到下图的结构变化。塑性应变图表明变形开始并从底部传播到上层。（b）AOCH-0.8 在动态冲击下模拟失效过程的横截面轮廓。在高应变率冲击中也观察到了类似的趋势。（c）主要的能量耗散机制。不同长度尺度下分级多孔结构的变形与断裂之间的相关性。蓝色代表 Al₂O₃陶瓷，白色代表气孔，橙色代表氧化铝陶瓷内的裂纹以及破碎的氧化铝微米板。代表性证据放在每个示意图下方。
结语
本研究成功提出了一种独特的多孔陶瓷分层结构设计策略，并通过低温3D打印技术实现。分级多孔陶瓷表现出前所未有的长平台应变（约 60%）和约 10 kJ·kg œ1的比能量吸收率。在分离式霍普金森压杆（SHPB）试验中也观察到了类似的趋势，表明在高应变率冲击下具有出色的能量吸收性能。其能量吸收机制包括陶瓷晶格的逐层逐渐破坏和不同尺寸孔隙的塌陷。所提出的可产生分级孔隙的 3D 打印技术也被证明可应用于其他功能材料，例如碳化硅、钛酸钡、羟基磷灰石，甚至钛合金，从而为制造仿生分级多孔结构开辟了新的可能性。
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