【摘 要】
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氧化铝陶瓷因其耐高温、耐氧化、高硬度等优异性能在制备催化剂载体、过滤器、机械零件、电子元器件等方面具有广阔应用前景。然而,传统的制备工艺难以制备复杂的三维结构陶瓷零件,严重限制了氧化铝陶瓷的应用与发展。选择性激光烧结技术(Selective Laser Sintering,SLS)作为先进成型技术的一种,具有取材多样、无需模具、成型精度高、可制备复杂结构等优势,在陶瓷制备工艺中发展迅速。但基于SL
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氧化铝陶瓷因其耐高温、耐氧化、高硬度等优异性能在制备催化剂载体、过滤器、机械零件、电子元器件等方面具有广阔应用前景。然而,传统的制备工艺难以制备复杂的三维结构陶瓷零件,严重限制了氧化铝陶瓷的应用与发展。选择性激光烧结技术(Selective Laser Sintering,SLS)作为先进成型技术的一种,具有取材多样、无需模具、成型精度高、可制备复杂结构等优势,在陶瓷制备工艺中发展迅速。但基于SLS的3D打印陶瓷材料仍存在致密度低、力学性能差等问题,提高3D打印陶瓷材料致密性和力学性能已经成为3D打印陶瓷材料领域研究的热点。因此,本文对SLS结合溶胶浸渗制备3D打印氧化铝陶瓷的工艺进行研究,分析烧结温度、溶胶浸渗方式、溶胶固含量、浸渗周期等因素对SLS结合溶胶浸渗工艺制备3D打印氧化铝陶瓷微观结构及力学性能的影响规律及机理,主要研究内容如下:(1)研究了烧结温度、浸渗参数、氧化铝溶胶固含量等因素对3D打印氧化铝预成型体微观结构和力学性能的影响。随着烧结温度由1450℃升至1600℃,3D打印氧化铝预成型体的致密度不断提高,但当烧结温度达到1600℃时,出现晶粒异常长大现象,3D打印氧化铝预成型体力学性能下降。随着浸渗过程中真空度和压强的升高,3D打印氧化铝预成型体的体积密度和力学性能先升高后降低。当真空度和压强过高时,试件内部存在不同程度的分层和纵向连通孔隙缺陷,导致孔隙率升高,体积密度降低,力学性能降低。随着氧化铝溶胶固含量的增加,3D打印氧化铝预成型体的体积密度和力学性能先提高后降低。当氧化铝溶胶固含量为15wt.%时,坯体内部孔隙填充良好,成型精度也保持较好,体积密度和力学性能达到最大值。(2)研究了浸渗周期、氧化铝溶胶固含量、溶胶中氧化锆含量对3D打印氧化铝陶瓷材料微观结构和力学性能的影响。研究表明,随着浸渗周期的增加,3D打印氧化铝陶瓷材料的体积密度和力学性能先快速增加之后增速逐渐变缓,孔隙率逐渐减小并趋于稳定。经过7个周期的浸渗烧结后3D打印氧化铝陶瓷材料的增重小于1%,力学性能基本保持稳定,其孔隙率、体积密度、弯曲强度、压缩强度和断裂韧性分别为22.06%、2.93 g/cm3、132.99 MPa、219.71 MPa和2.08 MPa·m1/2。随着氧化铝溶胶固含量的增加,3D打印氧化铝陶瓷材料的体积密度不断增加,孔隙率逐渐减小,同时力学性能也逐渐提高。氧化铝溶胶固含量为25wt.%时,3D打印氧化铝陶瓷材料的孔隙率、体积密度、弯曲强度、压缩强度和断裂韧性分别为14.79%、3.14 g/cm3、165.31 MPa、450.18 MPa和2.35 MPa·m1/2。当复合溶胶固含量为25wt.%,随着复合溶胶中氧化锆含量的不断增加,3D打印氧化铝陶瓷材料的孔隙率呈先减小后增加的趋势,体积密度、弯曲强度和压缩强度先增加后减小,断裂韧性不断升高。
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