基于光固化3D打印陶瓷的多尺度协同增韧

| 3DScienceValley · 2023/07/05

以下文章来源于增材制造结构一功能陶瓷材料

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.10.035

本文亮点

高强度和高韧性在结构材料中通常是相互排斥的。在陶瓷材料中，往往通过引入韧性相来提高陶瓷部件的韧性，但显著降低了材料的强度和高温稳定性。本文通过光固化3D打印技术来实现陶瓷复合材料的增韧。3D打印陶瓷宏观片层结构的摩擦滑动导致了陶瓷材料有效的能量耗散和应变的重新分配，实现了陶瓷材料的宏观增韧。原位非晶陶瓷晶须对裂纹扩展的桥接和阻碍作用具有显著的微观增韧效果，并与纳米ZrO2的裂纹尖端增韧机制协同作用。基于光固化3D打印陶瓷的多尺度协同增韧机制成型复杂结构陶瓷部件的工艺在高温极端服役材料中将有广泛的应用前景。

内容简介

由于陶瓷材料较强的原子间键合力，其具有优异的刚度和强度，但同时这也限制了它们的塑性和韧性。因此，陶瓷材料的增韧就显得尤为重要。脆性陶瓷材料通过微裂纹的扩展释放裂纹尖端的应力，这是一种相对有效的陶瓷增韧方法。此外，在陶瓷材料中添加晶须，可以改善其脆性断裂，并通过在裂纹扩展过程中拉拔和桥接晶须来提高断裂韧性。

本工作利用光固化3D打印陶瓷技术制备的材料具有典型的宏观层状结构，对材料内部应力有一定的再分配作用。本工作利用陶瓷前驱体转变的陶瓷非晶相在高温加载状态下原位形成增强纳米复合陶瓷晶须，使陶瓷实现微米级增韧。此外，纳米陶瓷相在纳米尺度强化裂纹尖端。利用光固化3D打印陶瓷技术实现了陶瓷型芯的多尺度协同高温增韧，为增材型芯制造的高温增韧提供了新思路。

图文导读

图 1. 多尺度增韧陶瓷样品的微观结构和物相分析结果：(a，b)SEM图像，(c)“珊瑚状”构示意图，(d)XRD 测试结果

图 2. 1200°C烧结的多尺度增韧陶瓷表面EPMA元素的分析结果：(a)原始样品，(b)1500 ℃性能测试后的样品

图 3. 1500 °C性能测试后多尺度增韧陶瓷的HRTEM和FFT分析结果：(a)HAABF-STEM图像，(b)纳米粒子和表面非晶层界面的HRTEM分析，(c)纳米粒子表面的IFFT分析，(d)纳米粒子的SAED数据，(e,t)大尺寸晶粒的晶界附近HRTEM和IFFT图像

图 4. 不同温度烧结陶瓷样品的性能：(a)开孔隙率，(b)抗弯强度，(c)高温抗弯强度测试的位移-载荷曲线，(d)陶瓷断裂韧性

图 5. 陶瓷材料的多尺度协同增韧机制，(a)宏观尺度：层状位错增韧，(b)微米级：原位陶瓷纤维增韧，(c)纳米级：纳米颗粒增韧，(d)协同增韧

文献引用：

Li Qiaolei,Pan Zhenxue,Liang Jingjing,Zhang Zongbo,Li Jinguo,Zhou Yizhou,Sun Xiaofeng. Ceramic composites toughened by vat photopolymerization 3D printing technology[J]. Journal of Materials Science & Technology,2023,146.

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