供稿人：王迎鑫，王富 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2021-06-22
陶瓷材料擁有良好的高溫穩(wěn)定性，抗氧化性，廣泛應(yīng)用于航空航天，機(jī)械，能源等領(lǐng)域，但是陶瓷固有脆性限制了結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，將陶瓷與金屬材料結(jié)合起來，可以發(fā)揮兩者的優(yōu)勢。金屬陶瓷復(fù)合材料常通過鑄造，粉末冶金等技術(shù)制備，但傳統(tǒng)技術(shù)難以制造復(fù)雜形狀或者變密度零件。增材制造技術(shù)如熔融沉積（FDM），光固化（SLA）等技術(shù)已經(jīng)廣泛用于復(fù)雜形狀的陶瓷零件成型。最近美國加利福尼亞州勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部Swetha Chandrasekaran等人提出了一種利用直寫技術(shù)（DIW）打印梯度B4C-Al金屬陶瓷復(fù)合材料的方法。該方法的主要原理為：3D打印不同體積分?jǐn)?shù)的B4C顆粒懸浮液，創(chuàng)建漸變密度的生坯，用熔融鋁（Al）浸滲打印后的生坯即獲得B4C-Al金屬陶瓷件。
圖1 (a)B4C油墨的粘度與剪切速率的關(guān)系; (b)B4C油墨和懸浮液的儲(chǔ)能模量是振蕩剪切應(yīng)力的函數(shù); (c)3D打印B4C的零件的數(shù)字照片。
開發(fā)B4C原料墨水的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是確保墨水表現(xiàn)出所需的剪切變稀特性（易于通過圓錐形噴嘴流動(dòng)），并且在沉積后立即保持其形狀。通過向B4C懸浮液中添加適量的Pluronic F-127，可以將水溶液轉(zhuǎn)化為堅(jiān)硬的水凝膠，改變?nèi)芤毫髯冃?，用于后續(xù)支撐打印材料。研究人員發(fā)現(xiàn)改性后的油墨彈性模量比未改性前的彈性模量高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，顯著提高了彈性平穩(wěn)期，極大地提高了可印刷性。
圖2 (a)直寫成型的梯度結(jié)構(gòu)B4C素坯;(b)滲鋁后的梯度B4C-Al復(fù)合材料 (c) B4C-Al金屬陶瓷浸潤和熱處理（在800℃下于空氣中熱處理8小時(shí)）的洛氏A硬度
為了驗(yàn)證B4C-Al金屬陶瓷的墨水直寫增材制造方法的有效性，研究人員進(jìn)行了洛氏A硬度測試，58.6%陶瓷含量時(shí)，這種復(fù)合材料的硬度高達(dá)80 Ra，并且隨著3D打印的B4C部件間距的增加或者說密度的降低，其值從76 Ra逐漸降低至21 Ra，準(zhǔn)偏差也從2 Ra增加到14 Ra。研究人員對比了熱處理前后材料的硬度值，在800℃的空氣中熱處理8小時(shí)后，背面的硬度增加了47％，隨著密度的增加而降低（中心處增加22％，前面增加9％）。
因此可以利用墨水直寫（DIW）的方法制造形狀復(fù)雜的梯度金屬陶瓷復(fù)合材料，可以通過調(diào)節(jié)B4C的含量的初始體積分?jǐn)?shù)以及尺寸間距，改變打印件的密度，從而可以定制金屬陶瓷復(fù)合件的硬度。