陶瓷材料3D打印技術(shù)
——讓復雜異形陶瓷材料構(gòu)件制造成為可能

陶瓷材料因其良好的力學與熱學性能、良好的熱氧與化學穩(wěn)定性，在航空航天、裝甲、空間器件、交通、核能、化工、半導體、臨床醫(yī)療等國防裝備與民用重大裝備領(lǐng)域得到了廣泛應用。通常，國防與民用應用場合要求使用復雜異形的陶瓷材料構(gòu)件及產(chǎn)品，這給其制造帶來了極大難題與挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)復雜異形陶瓷材料構(gòu)件的制造主要有兩種途徑：其一，采用各種不同燒結(jié)技術(shù)制備陶瓷材料塊體，再經(jīng)機械加工、電加工等加工手段獲得復雜異形陶瓷材料構(gòu)件。然而，陶瓷材料一般本征脆性大、硬度大、可加工性差，在磨削、車削等加工過程中，極易對陶瓷材料造成不可逆的加工缺陷或損傷，極大影響陶瓷材料構(gòu)件的性能與服役壽命。其二，采用注漿成型、注射成型、凝膠注模成型等不同的近凈尺寸成型技術(shù)制備陶瓷材料生坯，再經(jīng)燒結(jié)獲得陶瓷材料構(gòu)件。然而，這些近凈尺寸成型方式不僅需要借助模具，且對于復雜異形(尤其是內(nèi)孔、曲面、極復雜等)陶瓷材料構(gòu)件的制造仍存在極大困難，一般只能獲得形狀復雜度較低的陶瓷材料構(gòu)件。因此，發(fā)展陶瓷材料的先進制造技術(shù)，并研究相關(guān)基礎科學問題，對于拓展陶瓷材料先進制造領(lǐng)域科學前沿，推進陶瓷材料在國防與民用重大領(lǐng)域應用具有重要意義。

增材制造技術(shù)(additive manufacturing)，通常又被稱為3D打印技術(shù)(3D printing)、實體自由成型技術(shù)(solid free-form fabrication)、快速成型技術(shù)(rapid prototyping)等，基于離散-堆積原理，根據(jù)構(gòu)件三維模型數(shù)據(jù)驅(qū)動，利用計算機切片技術(shù)，采用熱源或粘結(jié)劑等方式將材料逐點、逐線、逐面堆積成構(gòu)件。相對于傳統(tǒng)等材或減材制造技術(shù)，增材制造技術(shù)可以不受模具制作或加工工藝的限制，解決了復雜異形構(gòu)件的成型難題，并大大減少加工工序、縮短加工周期，且構(gòu)件越復雜，增材制作的優(yōu)勢越顯著，目前已在高分子材料、金屬材料中得到廣泛研究應用。近年來，陶瓷材料的3D打印研究在國際上成為研究熱點，“十三五”以來，清華大學、北京理工大學、西安交通大學、華中科技大學、哈爾濱工業(yè)大學、中南大學、深圳大學、廣東工業(yè)大學、中科院空間應用工程與技術(shù)中心、中科院上海硅酸鹽研究所、山東工業(yè)陶瓷研究設計院有限公司等單位開展了大量陶瓷材料3D打印的相關(guān)研究，在包括3D打印原材料開發(fā)、3D打印工藝研究、3D打印裝備研發(fā)等領(lǐng)域取得了較大進步與成果。激光選區(qū)燒結(jié)(selective laser sintering, SLS)、光固化(包括立體光刻stereolithography(SL)與數(shù)字光處理(digital light processing， DLP))、墨水直寫成型(direct ink writing, DIW)、雙光子成型(two-photonpolymerization, TPP)等陶瓷材料3D打印技術(shù)得到了較大發(fā)展，典型先驅(qū)體轉(zhuǎn)化陶瓷材料、氧化物陶瓷材料、非氧化物陶瓷材料等在3D打印研究方面取得了較大突破。

圖1 美輪美奐的陶瓷“埃菲爾”鐵塔

圖2 精巧絕倫的陶瓷點陣結(jié)構(gòu)

圖3 精巧可愛的陶瓷象寶寶

圖4 輕量化陶瓷反射鏡

北京理工大學何汝杰副教授團隊自2017年以來，針對陶瓷材料3D打印開展了系列研究，包括：(1)典型結(jié)構(gòu)陶瓷材料的3D打印工藝方法與成形機理研究，重點開展典型氧化物陶瓷材料(SiO2、Al2O3、ZrO2、HA等)與非氧化物陶瓷材料(SiC、Si3N4等)光固化3D打印、短纖維增強陶瓷基復合材料直寫3D打印的工藝方法與成形機理研究，并在3D打印裝備的自主研制方面取得一定突破。(2)3D打印陶瓷材料內(nèi)部缺陷表征方法與形性調(diào)控機理研究，主要開展內(nèi)部缺陷XCT無損檢測方法、缺陷控制策略、3D打印形性調(diào)控方法與調(diào)控機理研究。(3)結(jié)構(gòu)功能一體化陶瓷材料設計與3D打印研究，重點從事輕量化承載防隔熱一體化、輕量化抗沖擊一體化、輕量化耐高溫隱身一體化等陶瓷材料結(jié)構(gòu)功能一體化研究。

3D打印技術(shù)，讓復雜異形陶瓷材料構(gòu)件的制造成為可能，必將為陶瓷材料先進制造與應用提供更大的機遇與舞臺！