3D打印技術,又稱增材制造,為陶瓷基復合材料的成型帶來了革命性的變革。傳統陶瓷材料因其高硬度、高脆性和高熔點,難以通過常規方法加工復雜結構。而將3D打印技術與陶瓷材料,特別是陶瓷基復合材料相結合,為航空航天、生物醫療、電子器件等高端領域制造高性能、輕量化、結構功能一體化的部件開辟了新路徑。本文將探討3D打印陶瓷基復合材料的成型技術及其研究進展。
一、主要成型技術
目前,應用于陶瓷基復合材料的3D打印技術主要包括以下幾種:
- 立體光固化成型(SLA/DLP):這是目前應用最廣泛、精度最高的技術之一。其原理是利用紫外激光(SLA)或數字光投影(DLP)逐層固化懸浮有陶瓷顆粒(如氧化鋁、氧化鋯)和增強相(如碳纖維、晶須)的光敏樹脂漿料。成型后的“生坯”需經過脫脂和高溫燒結,以獲得致密的陶瓷復合材料零件。該技術適合制造高精度、高表面質量的復雜結構。
- 選擇性激光燒結/熔化(SLS/SLM):該技術使用高能激光束選擇性燒結或熔化陶瓷粉末與粘結劑(SLS)或直接熔化陶瓷粉末(SLM,對材料要求極高)。對于陶瓷基復合材料,通常采用間接SLS,即使用低熔點粘結劑將陶瓷粉末和增強纖維初步成型,再通過后續燒結致密化。其優點是無須支撐,可加工多種粉末材料,但表面粗糙度和精度通常不及光固化技術。
- 直寫成型(DIW):又稱擠出成型或 robocasting。通過壓力將高固含量、具有剪切變稀特性的陶瓷復合膏體(漿料)從微細噴嘴中擠出,按照預設路徑逐層堆積成型。該技術設備成本低,材料適用性廣,特別適合制造多孔結構、梯度功能材料或大尺寸部件,但成型精度和表面光潔度相對較低。
- 粘結劑噴射成型(Binder Jetting):在鋪平的陶瓷復合粉末床上,噴頭選擇性噴射液態粘結劑,將粉末逐層粘結成型。成型件同樣需要脫脂和燒結。該技術打印速度快,可制造大型零件,且無須支撐,但坯體密度低,燒結收縮大,力學性能通常低于光固化和SLS成型的部件。
二、研究進展與挑戰
3D打印陶瓷基復合材料的研究取得了顯著進展,主要集中在以下幾個方面:
- 材料體系創新:研究焦點從單一陶瓷(如Al2O3, ZrO2)擴展到高性能復合材料體系。例如:
- 碳化物/氮化物基復合材料:如SiC/SiC、Si3N4/BN,具有優異的高溫強度和抗熱震性,用于航空航天熱端部件。
- 生物陶瓷復合材料:如羥基磷灰石(HA)與β-磷酸三鈣(β-TCP)或聚合物復合,用于制備具有生物活性和可控降解性的骨支架。
- 功能梯度復合材料:通過控制打印參數,實現材料成分、結構在空間上的連續梯度變化,以滿足特定部位對性能(如硬度、導熱、介電)的不同需求。
- 增強相與界面調控:為了克服陶瓷固有的脆性,研究人員在陶瓷基體中引入多種增強相,如碳納米管、石墨烯、陶瓷晶須(SiCw)、纖維(C纖維、SiC纖維)等。關鍵挑戰在于確保增強相在漿料或粉末中的均勻分散,以及在打印和燒結過程中保持其完整性,并優化增強相與陶瓷基體之間的界面結合,以有效發揮增韌補強效果。
- 工藝優化與后處理:優化打印參數(如層厚、掃描速度、激光功率、固化深度)以獲得高密度、低缺陷的“生坯”是基礎。后續的脫脂和燒結工藝對最終性能至關重要。研究人員正在開發新型脫脂方法(如催化脫脂)和先進的燒結技術(如熱等靜壓燒結、放電等離子燒結),以降低燒結溫度、減少孔隙、提高復合材料致密度和力學性能。
- 多材料與多尺度打印:結合多個打印頭或創新材料設計,實現陶瓷與金屬、聚合物或其他陶瓷在同一部件內的集成打印,制造真正意義上的結構功能一體化構件。在微納尺度上控制材料結構的打印技術也在探索中。
三、未來展望
盡管前景廣闊,3D打印陶瓷基復合材料仍面臨諸多挑戰:原材料(特別是納米級增強相)制備與漿料/粉末配方的成本較高;打印部件的尺寸精度受燒結收縮影響大;工藝鏈長,質量控制難度大;缺乏統一的標準和性能數據庫。
未來研究將更側重于:開發可打印性更佳、性能更優的新型復合漿料/粉末;實現打印過程的在線監測與智能化控制,提升成型一致性和可靠性;深入理解打印與燒結過程中的微觀結構演化機理;以及拓展在極端環境(超高溫、強腐蝕、強輻射)下的應用。隨著材料科學、制造技術和數字化設計的深度融合,3D打印陶瓷基復合材料必將推動高端制造業向更精密、更智能、更綠色的方向發展。