09
2025
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01
行业新知 | 关于立体光刻3D打印蜂窝铝硅土陶瓷的力学性能及断裂机制的研究
作者：
铝硅土（mullite）陶瓷由于其良好的高温稳定性、耐腐蚀性和优异的力学性能，在高温结构材料和催化剂载体等领域具有重要应用，采用立体光刻（SLA）方法制造蜂窝状铝硅土陶瓷成为一种有效的制备方式。近日，安徽工程大学左如忠和马海强教授团队在《Ceramics International》发表了题为《Mechanical properties and fracture mechanism of 3D-printed honeycomb mullite ceramics fabricated by stereolithography》的研究，向我们揭示了通过SLA技术制造的蜂窝状铝硅土陶瓷的机械性能与断裂机制，还揭示了蜂窝状结构如何影响铝硅土陶瓷的断裂机制，包括裂纹的扩展路径和断裂模式。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.07.466
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研究内容
铝硅土陶瓷由于其优异的耐高温和机械性能，在高温结构材料中有着广泛应用。通过SLA技术制造蜂窝状陶瓷，可以精确控制其孔隙结构，从而优化其轻量化和强度。
研究表明，蜂窝结构显著提高了陶瓷的抗压强度和弯曲强度，同时降低了密度，展示了较好的轻量化性能。打印参数如激光功率、扫描速度对陶瓷的力学性能有重要影响，较高的激光功率有助于提高烧结密度，但过高的功率会引起裂纹。通过扫描电子显微镜（SEM）分析发现，蜂窝状陶瓷在断裂时表现出脆性断裂，裂纹主要沿着孔隙边界扩展，孔隙结构对裂纹扩展路径有显著影响。
以下是文章的研究方法及数据：
△图1，蜂窝状铝硅土陶瓷的成型过程。
△图2，从1400°C到1600°C烧结样品的XRD图谱。
△图3，从1400◦C到1600◦C(a)1400◦C，(b)1450◦C，(c)1500◦C，(d)1550◦C，(e) 1600◦C和(f)(e)部分扩大的样品的显微结构。(f)(e)部分扩大的样品的显微结构。
△图4，在1600◦C(a)SEM图像上烧结的样品的元素分布，(c) Al、(c) O和(e) Si的EDS映射。
△图5，( a)体积密度和表观孔隙度随烧结温度的关系。
△图6，机械性能测试设备，(b)在1400◦C到1600◦C温度下烧结的样品的机械性能。
△图7，在1600◦℃下烧结的样品的力学性能。
△图8，抗压强度与其他研究结果的比较。
△图9，样品（a和a1)圆形孔、（b和b1)三角形孔和（c和c1)方形孔的断裂形态。
△图10，不同模型（a和a1)圆形孔、（b和b1)方形孔和（c和c1)三角形孔的位移变形云图像。
△图11，蜂窝状铝硅土陶瓷的断裂模型。
△图12. 破裂后孔隙壁的形态变化
△图13. 图(a)中b、c、d、e、f、g、h、i、j、k断裂后不同区域的形态分别对应(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)、(i)、(j)和(k)
结论
本研究通过SLA 3D打印技术开发了具有不同孔隙几何形状的蜂窝铝硅土陶瓷。研究了烧结温度和孔隙几何形状对相组成、微观组织和力学性能的影响。主要的发现总结如下：
(1)随着烧结温度的升高，铝硅土含量从78.2 wt%提高到99.7 wt%。此外，体密度从1.73 g/cm3提高到2.74 g/cm3，表观孔隙率从45.62 %下降到8.46 %，抗压强度从46.89 MPa提高到129.26 MPa。
(2)蜂窝铝硅土陶瓷中，方形孔的抗压强度最高，约为206.71 MPa，圆形孔的抗压强度最低，为77.19 MPa。
(3)采用有限元分析的方法模拟了蜂窝状铝硅土陶瓷的抗压强度。仿真结果与实验数据吻合良好。
(4)蜂窝铝硅土陶瓷的断裂行为表现为线弹性区、平台区和致密化区三个阶段，断裂机理与逐层无关。
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