先進陶瓷材料增材制造的發(fā)展及應(yīng)用

Development and Application of Additive Manufacturing of Advanced CeramicMaterials

（The 13th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation）

Abstract： The research and application of additive manufacturing （AM） have developed rapidly over the last 30 years. Different fromtraditional processes，AMcould realize the processng ofvarious materials andcomplex structures.The paper brieflyanalyzes thecharacteristics ofadvanced materialsandthetraditional processes.Then itintroduces thehistorical developmentofAM，anddelineates thesevenmajortypesofAMprocesses andrelevantresearch.Thepaper furtheranalyzes theapplications oftheadvanced ceramicAMin diferent fields.Byacelerating the fundamental research intermsof materials，technologies，theories，computer-aided designandsimulation，as wellas increasing the economyandequipment investment， the application of ceramicAMcan be promoted invarious fields.

Keywords：advanced ceramic; additive manufacturing;application

0 引言

型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過材料堆積的方式制造零件或?qū)嵨锏墓に嘯1-2]。增材制造在過去的30年內(nèi)迅猛發(fā)展，開創(chuàng)了一個數(shù)字化制造的新時代。增材制造被增材制造（又名3D打印）被定義為以三維模認(rèn)為是繼蒸汽機、計算機和互聯(lián)網(wǎng)之后的又一次工業(yè)革命3]。與傳統(tǒng)的機加、鑄造、鍛壓等工藝不同，增材制造依照計算機輔助設(shè)計模型，逐步逐層地添加和堆積材料，最終構(gòu)建一個復(fù)雜幾何外形、包含內(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維零件，可以進行原型和最終產(chǎn)品的加工。增材制造工藝可以涵蓋多種類型的材料，如高分子、金屬、陶瓷、玻璃和復(fù)合材料等，針對各類材料可以選擇不同的增材制造工藝。由于先進陶瓷材料比金屬、高分子等具有更優(yōu)異的性能，使得先進結(jié)構(gòu)陶瓷零件或產(chǎn)品應(yīng)用于幾乎各個工業(yè)領(lǐng)域。本文主要介紹了先進陶瓷材料、增材制造的歷史、近期進展、相關(guān)工藝、相關(guān)應(yīng)用及未來展望。

1先進陶瓷材料

先進陶瓷作為新材料的一個重要部分，已成為許多高技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵材料[4-5]，按照性能和用途可分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩大類。其中結(jié)構(gòu)陶瓷具有比金屬和高分子材料優(yōu)異的高強度、高硬度、高耐磨性、高模量、耐高溫和耐腐蝕等性能；功能陶瓷具有聲、光、電、超導(dǎo)、生物兼容性等優(yōu)異的功能特性[-7]。為了實現(xiàn)這些優(yōu)異的性能，先進陶瓷材料的相對密度需要超過 95% ，甚至高達(dá) 98%^[8] 。因此先進陶瓷被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、國防、醫(yī)學(xué)、能源、化工、冶金等國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域9-]。表1列舉了部分先進陶瓷材料的種類、性能和應(yīng)用[12-13]。

先進陶瓷材料有一些成功商業(yè)化的成型方法，例[14-15]如，流延、干壓、擠出、注射、注漿、注凝等方法這些傳統(tǒng)成型工藝只具有二維的設(shè)計自由度，并不能或很難進行內(nèi)部的或多尺度的零件特征加工，并且需要復(fù)雜和高成本的模具[。流延工藝在成形過程中，只能控制流延帶料的厚度，還需要進行后續(xù)的疊片、層壓和燒結(jié)等工序[7-1]。干壓[和擠壓[方法只能成形簡單外形的零件，如棍、棒、管或盤等。注射[21、注漿[22]、注凝[23]等方法可以實現(xiàn)最大的尺寸設(shè)計自由度。但以上這些成型方法只能加工均質(zhì)材料，不能實現(xiàn)異質(zhì)材料加工。從陶瓷粉體或漿料到具有特定性能或功能的多晶陶瓷制品需要經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)過程。燒結(jié)是一個粉末發(fā)生擴散傳質(zhì)進而致密化，使得陶瓷具有最終的穩(wěn)定形狀、均勻顯微結(jié)構(gòu)、優(yōu)異成品性能的過程。表2對各種成形方法進行了簡單地對比 [[24] 。

2 先進陶瓷材料的增材制造工藝

2.1增材制造的發(fā)展

早期的增材制造主要表現(xiàn)在科學(xué)家產(chǎn)生的技術(shù)思想上，直到20世紀(jì)80年代才逐步出現(xiàn)相關(guān)專利，進而促進增材制造技術(shù)出現(xiàn)根本性的發(fā)展。1980年，日本名古屋市工業(yè)研究所的KODAMA發(fā)明了光固化工藝并申請了專利“立體圖形繪制設(shè)備”[8，25] 。1984年，HULL申請專利并第一次把增材制造技術(shù)成功商業(yè)化[2]。1986年，DECKARD等申請了選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)的專利[27]，基于此技術(shù)成立了DMT公司，后來被3DSystems收購。1988年，F(xiàn)EYGIN研發(fā)出了薄材疊層技術(shù)，并申請了專利[28]。1989年，CRUMP2基于熔融沉積成型技術(shù)并建立了Stratasys公司。SACHS等[3]發(fā)明了粘結(jié)劑噴射技術(shù)并授權(quán)給商業(yè)公司。

2016—2018年，中國3D打印機廠商（如：創(chuàng)想三維Creality，縱維立方Anycubic，鉑力特BLT，先臨三維Shining3D，光韻達(dá)等）逐漸開始制造與第三代Prusa類似的3D打印機，并迅速爭相模仿或獨立開發(fā)零部件。近年來，結(jié)構(gòu)材料的增材制造受到越來越多研究者的親睞，相關(guān)的研究和成果發(fā)表在諸多期刊雜志上，圖1表達(dá)的是1980—2024年以“增材制造”為關(guān)鍵詞搜索相關(guān)文章的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

2.2先進陶瓷材料的增材制造工藝

與可3D打印的高分子、金屬材料不同，由于陶瓷材料大多具有很高的熔點，因此陶瓷的增材制造就顯得困難得多，陶瓷材料的增材制造發(fā)展就相對滯后。而且可用于增材制造的陶瓷原料需要制成合適的粉體或漿料形式。國標(biāo)GB/T35351—2017和ISO/ASTM52900：2021給出了增材制造的定義[-2]，并確立了增材制造的7大類工藝方法：立體光固化、粉末床熔融、粘結(jié)劑噴射、材料噴射、薄材疊層、材料擠出、定向能量沉積。

（1）立體光固化（StereoLithography，Vat Photopolymerization）

SL技術(shù)是采用光敏樹脂和陶瓷粉體來制備漿料，樹脂在紫外光的照射下發(fā)生光聚合固化反應(yīng)，從而制得所需的陶瓷坯體，最后通過其他方式如燒結(jié)來去除樹脂，得到致密的陶瓷件。圖2（a）是立體光固化技術(shù)的示意圖。SL技術(shù)具有打印系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成型精度高、打印構(gòu)件表面光滑、容易實現(xiàn)高致密化燒結(jié)等優(yōu)勢，非常適合制備微小、形狀復(fù)雜的陶瓷零部件；缺點主要是光敏樹脂價格比較貴且具有一定毒性。

王文俊[3等研究了基于SL技術(shù)制作的氧化鋯樣品的機械、生物性能，彎曲強度達(dá)到962.24±83.02MPa. ，氧化鋯全瓷冠的生物安全性、臨床適合性能初步滿足臨床要求。DING[32等詳細(xì)研究了顆粒尺寸、固含量、光固化參數(shù)、光引發(fā)劑種類和濃度對SiC漿料固化能力的影響；最終成功制備了高精度、高質(zhì)量、復(fù)雜形狀的陶瓷件。裘蕓寜[33]等利用SL技術(shù)實現(xiàn)了氧化鋁和氧化硅陶瓷壞體的制備，氧化鋁漿料對光能量的衰減能力強于氮化硅，但更易被激發(fā)固化反應(yīng)。ZHANG[34]等采用SL技術(shù)制備了3Y-TZP增強的 Zr0₂ 陶瓷制品，當(dāng)3Y-TZP含量為 7.5vol% 時，陶瓷樣品的相對密度和彎曲強度分別達(dá)到最大值 96.40% ， 306.53MPa 圖2（b）是利用立體光固化技術(shù)制備的陶瓷件制品。

（2）粉末床熔融（PowderBedFusion）

PBF早期稱為選擇性激光燒結(jié)（SelectiveLaserSintering）或選擇性激光熔融（SelectiveLaserMelting），是通過熱能選擇性地熔化/燒結(jié)粉末床區(qū)域的增材制造工藝。利用高能激光束逐層熔化/燒結(jié)預(yù)先鋪置在工作臺上的薄層粉體來成型復(fù)雜零部件，具有精細(xì)度高和無需模具快速成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)等突出優(yōu)勢。圖3（a）是粉末床熔融技術(shù)的示意圖。然而由于SLM成型陶瓷零部件過程中溫度變化范圍過大，速度過快，產(chǎn)生的應(yīng)力較大，使陶瓷零部件極易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷，從而嚴(yán)重制約了該技術(shù)在陶瓷快速成型領(lǐng)域的應(yīng)用[35]

王蔚3等研究了SLS工藝參數(shù)對 Al₂O₃/SiO₂/ ZrO₂ 復(fù)合陶瓷燒結(jié)質(zhì)量的影響，結(jié)果表明工藝參數(shù)對成形表面形貌的影響程度的關(guān)系為：掃描速度 gt; 搭接量 gt; 激光功率。最終實現(xiàn)了在不添加粘

結(jié)劑、不作任何后處理的情況下激光燒結(jié)復(fù)合材料，氣孔較少且密度達(dá)到 3.72g/cm³ WILKES[]等制備了 100% 相對密度的 Zr0₂/Al₂O₃ 陶瓷樣品，采用連續(xù)波長的Nd：YAG激光對樣品進行加熱熔融，不需要后續(xù)的任何燒結(jié)過程。在SLM過程中，將材料預(yù)熱至 1600^dC 以上，可以防止裂紋的形成和擴展，最終制得彎曲強度高于 500MPa 的陶瓷樣品。熊志偉[38]等采用激光粉末床熔融技術(shù)成形了Al2O3-ZrO2共晶陶瓷，隨著激光功率的增加，陶瓷的表面粗糙度和氣孔率先降低后升高，微觀組織呈現(xiàn)類細(xì)胞狀結(jié)構(gòu)，在功率P為60W時，陶瓷樣品具有最優(yōu)的顯微硬度和斷裂韌性，分別是17.19GPa和 16.67MPa?m^1/2 。圖3（b）是研究者利用粉末床熔融技術(shù)制備的陶瓷件制品[35]

（3）粘結(jié)劑噴射（BinderJetting）

BJ技術(shù)是通過輥輪將鋪展的粉料壓平，按照計算機設(shè)計將液態(tài)粘結(jié)劑選擇性的噴射在指定的粉料位置，得到成形后的生壞最后進行致密化處理的增材制造技術(shù)。圖4是粘結(jié)劑噴射技術(shù)的示意圖。優(yōu)點是效率較高、成本較低、使用材料范圍廣泛、打印結(jié)構(gòu)無需支撐。缺點是高精度成形對噴頭的要求較高，成形的生壞強度較差。

GONZALEZ[等采用BJ技術(shù)，通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)如材料層厚度、顆粒尺寸、燒結(jié)曲線，制備了相對密度達(dá)到 96.51% 的Al2O3高致密度陶瓷樣品。樣品的平均抗壓強度為 131.86MPa 20Hz 至1 MHz 下的介電常數(shù)為9.47至 5.65 。KUNCHALA[40]等在液態(tài)粘結(jié)劑中添加了 50nm 的顆粒，以期增加氧化鋁生壞的密度。納米顆粒濃度從0增加至 15wt.% ，樣品的相對密度提高了 30% ，顆粒間孔洞降低，抗壓強度從 76kPa 提高至 641kPa 。胡時東[4等采用BJ技術(shù)結(jié)合液硅反應(yīng)熔滲技術(shù)制備了不同碳化硅晶須含量的SiCw/SiC復(fù)合材料。當(dāng)SiCw含量達(dá)到 7.5vol.% 時，材料的彎曲強度和斷裂韌性達(dá)到最大值分別是215.29MPa 和 3.25MPa?m^1/2 。趙巍2等引入氮化硅和真空浸滲硅溶膠實現(xiàn)了渦輪葉片鑄造Al2O3陶瓷型芯性能的提升。

（4）材料噴射（MaterialJetting）

MJ技術(shù)將材料以微滴的形式，通過噴墨3D打印機按需噴射，噴嘴直徑在 20～75μm 。圖5（a）是材料噴射技術(shù)的示意圖]。MJ技術(shù)要求陶瓷懸浮液具有足夠低的粘度以避免噴頭被堵塞，但是陶瓷壞體要求足夠的固含以保證能制得致密化的樣品，采用 100nm 以下的超細(xì)粉體顆粒，可以促進陶瓷樣品的致密化。陶瓷墨水的制備是陶瓷噴墨打印的關(guān)鍵技術(shù)之一，陶瓷墨水中要加人不同功能的添加劑，通常包括陶瓷粉體、溶劑、分散劑、結(jié)合劑、表面活性劑等[43]。

SEERDEN[44]等制備了含 vol.%Al2O3（平均粒徑為 400nm ）的石蠟陶瓷墨水，活性劑是 0.652wt.%～1.2 wt. % HypermerLP1、0.332wt.%～1.2wt.% 硬脂胺。圖5（b）是采用 30vol% Al2O3漿料打印的未燒制的陶瓷樣品，顯示具有良好的打印分辨率[4]。WANG[5]等采用噴墨打印成功制備了PZT陶瓷樣品，PZT墨水固含為 ，陶瓷樣品經(jīng)燒結(jié)后完全致密化，氣孔率低于 1% 。周振君[46]等采用機械混合和溶膠凝膠方法制備了用于連續(xù)噴墨打印的BaTiO4陶瓷墨水，研究了制備工藝參數(shù)對陶瓷墨水的物化性能和流變特性的影響。

（5）薄材疊層（SheetLamination）

薄材疊層又稱為分層實體制造（LayeredObjectManufacturing），將預(yù)先成形（通常是通過流延方法制備）的陶瓷片材、帶料，經(jīng)過分切、疊層進而制成三維零部件。圖6（a）是分層實體制造技術(shù)的示意圖。

WEISENSEL[47]等通過LOM技術(shù)制備了可以模仿天然細(xì)胞材料的仿生SiSiC陶瓷復(fù)合材料。GOMES[48]等以流延方式制備了用于LOM技術(shù)的Li2O-ZrO2-SiO2-Al2O3的生瓷帶料，研究了水基陶瓷漿料的流變特性和生瓷帶料的力學(xué)性能。漿料的最高固含可達(dá)到 72wt.% 。生瓷樣品經(jīng) 700‰ 的燒結(jié)后，沒有明顯的表面缺陷。圖6（b）是用Li2O-Zr0_2-SiO2-Al2O3 材料制備的齒輪[48]。張耿[4]等將LOM制備的壞體置于冷凍干燥機中干燥得到陶瓷生坯，并分析了激光加工參數(shù)和漿料固含量對激光掃描過程的影響。金熙原提出了一種多孔陶瓷凍結(jié)漿料分層實體制造新方法，利用低溫銑削技術(shù)對二維切片圖形的外圍輪廓進行銑削成型。

（6）材料擠出（MaterialExtrusion）

材料擠出成形，是將高固含的陶瓷漿料通過機器噴嘴或孔口擠出，按照設(shè)計圖形一層一層地加工成最終形狀的制品。圖7（a）是分層實體制造技術(shù)的示意圖[8]。

RUESCHHOFF5等利用低成本的商用材料擠出打印機值得了致密化的氧化鋁樣品，在所采用的實驗方案中，含有55 vol.% （204號 Al₂O₃ 、 4.2vol.% Darvan821A型分散劑、 PVP增塑劑的配方漿料可以制得最好的樣品，經(jīng)燒結(jié)后相對密度可達(dá)98% 以上。FRANCHIN[52]等制備了適合材料擠出成形的SiC基復(fù)合材料墨水，擠出的線條直徑小于1mm ，纖維含量大于 30vol.% 。SiC中添加的纖維可以有效減少因后續(xù)處理工藝導(dǎo)致的開裂等缺陷。圖7（b）是采用材料擠出技術(shù)制備的陶瓷件[52]。楊建明53]等研究了擠出口內(nèi)徑、層高和打印速度對漿料擠出式增材制造過程及打印質(zhì)量的影響，獲得了合適的工藝參數(shù)，擠出口內(nèi)徑 0.6～0.8mm， 層高 0.6mm 左右、打印速度 20mm/s 、打印件的內(nèi)外最大傾斜角度為 40^° 、打印平面內(nèi)的最小角度為 30^° 。

（7）定向能量沉積（Directed Energy Deposition）

利用聚焦熱能將材料同步熔化沉積的增材制造工藝。圖8是定向能量沉積技術(shù)的示意圖 [8]

NIU[54]等利用DED技術(shù)制備了Al2O3、 Al₂O₃/ ZrO2和Al2O3/YAG陶瓷樣品，發(fā)現(xiàn) ZrO₂ 和Y203可以有限減少陶瓷樣品中的裂紋，并可以細(xì)化晶粒。吳東江[55] 等開展了Al2O3-TiCp復(fù)相陶瓷材料的DED增材制造研究，探討了不同TiCp比例對復(fù)相陶瓷材料微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響；結(jié)果表明TiCp顆粒均勻分布在基體中，細(xì)化了Al2O3晶粒。夏熙珍[56]等采用DED技術(shù)制備了Ti金屬 /Zr0₂-Al₂0₃ 復(fù)合陶瓷梯度材料，研究了顯微組織、元素分布及顯微硬度的變化。結(jié)果表明Al203為 時，硬度最高達(dá)到 1344.5HV0.2 ，隨著Al2O3含量增加，金屬相和陶瓷相混合更加均勻。

3先進陶瓷材料的應(yīng)用

先進陶瓷材料的增材制造研究持續(xù)升溫，應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在航空航天、軍事、生物醫(yī)學(xué)、機械與加工、電子元器件與設(shè)備、核與核工業(yè)、珠寶與藝術(shù)等領(lǐng)域。近20多年，先進陶瓷材料的市場規(guī)模以平均 7%～9% 的速度增長，表3展示了在不同的應(yīng)用領(lǐng)域所占的比例 [[57]

在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，部分先進陶瓷材料及其制品具有與骨骼和牙齒等相近的成分、良好的生物兼容性、化學(xué)惰性以及優(yōu)異的力學(xué)性能，非常適合應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，作為骨骼、牙齒等的替代材料。 SHI^[58] 等采用Inkjet3D打印技術(shù)了氧化鋯基的陶瓷牙齒，詳細(xì)研究了氧化鋯陶瓷墨水的性能和打印參數(shù)。經(jīng) 1500‰ 燒結(jié)后的樣品，其力學(xué)性能滿足了ISO13356：2015（E）標(biāo)準(zhǔn)的要求。

DIENEL5等提出了一種多孔支架的增材制造方法，采用了含聚三亞甲基碳酸酯和β磷酸三鈣的可生物吸收材料。陳清華利用光固化3D打印技術(shù)制備了基于絲瓜內(nèi)絡(luò)結(jié)構(gòu)的羥基磷灰石陶瓷仿生骨修復(fù)支架，從熱分析、細(xì)胞毒性試驗、動物體內(nèi)植入3個方面展開評估研究。

在電子元器件應(yīng)用領(lǐng)域，小型化、輕量化、高度集成化和低成本是發(fā)展的趨勢。比如：在微波通信系統(tǒng)，天線、濾波器和功率器件的制造過程需要將加工好的元件組裝起來形成一個功能性的終端或部件。而增材制造技術(shù)的發(fā)展可以提供一個輕量化、快速組裝和高度集成的替代方案。BUERKLE等采用陶瓷光固化成型技術(shù)，制備了一個 8×8 的介質(zhì)諧振器陣列天線。DELHOTE [62]等首次采用陶瓷光固化技術(shù)制備了 ZrO₂ 和Ba3ZnTa2O9陶瓷的帶通濾波器，并對其在Ka波段的工作性能進行了研究。由于微波電子器件對產(chǎn)品的尺寸精度、強度、剛度和粗糙度具有更嚴(yán)格的要求，因此陶瓷的增材制造還需這些方面進一步研究和提高以滿足微波電子器件的需求。

在航空航天領(lǐng)域，增材制造技術(shù)的應(yīng)用有助于提升設(shè)計自由度、高功能性、高的生產(chǎn)效率和實現(xiàn)產(chǎn)品的輕量化。陶瓷復(fù)合材料作為屏蔽材料，增材制造可以實現(xiàn)輕量化、提高其熱力學(xué)性能。DELFINI]等提出了一種雙層的吸波材料結(jié)構(gòu)，外層采用了碳基納米復(fù)合材料多層板，可以實現(xiàn)微波的吸收；內(nèi)層采用了碳基陶瓷材料，可以實現(xiàn)對內(nèi)部提供適宜的溫度。SiC陶瓷材料憑借其比剛度大、熱導(dǎo)率高、熱變形系數(shù)小以及穩(wěn)定性好的優(yōu)異性能，成為大口徑輕量化空間光學(xué)反射鏡及支撐結(jié)構(gòu)的理想材料。閆春澤4等提出一種大型復(fù)雜高強度的SiC構(gòu)件多激光SLS增材制造新思路，采用SLS或3DP增材制造工藝整體成型大型復(fù)雜Cf/C復(fù)合材料構(gòu)件，并獲得相應(yīng)專利。

4結(jié)語

本文介紹了先進陶瓷材料及其增材制造技術(shù)，增材制造技術(shù)的發(fā)展逐步成熟，它的持續(xù)發(fā)展驅(qū)動力來自這項技術(shù)對于結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計的靈活性和自由度。與金屬和高分子的增材制造相比，高性能復(fù)雜陶瓷零部件的生產(chǎn)制造成為限制陶瓷材料應(yīng)用的主要矛盾。增材制造技術(shù)在陶瓷材料方向的研究和應(yīng)用，可以將陶瓷零部件的研制提升一個新的高度。陶瓷材料的加工難度也使得新技術(shù)的研究和應(yīng)用遇到新的挑戰(zhàn)，雖然陶瓷材料的增材制造已經(jīng)突破很多的困難，但其原型的靈活制造和工藝廣泛應(yīng)用上還處在研究和發(fā)展階段。我們需要加快在材料、技術(shù)、理論、裝備和輔助設(shè)計仿真等各方面的基礎(chǔ)研究和經(jīng)濟、設(shè)備投人，促進陶瓷材料增材制造在航空航天、生物醫(yī)療、電子信息和民生各領(lǐng)域的推廣和應(yīng)用。

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