TiO2多孔陶瓷的结构设计及光固化增材制造研究

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多孔陶瓷兼具陶瓷材料和多孔结构的优点,作为催化剂载体被广泛应用于环境催化中,有效解决了传统粉末催化剂可回收性差和块状催化剂催化效率低的问题,但日益严格的环境保护法规对其提出了更高的性能需求。基于光固化增材制造的周期性点阵结构的二氧化钛多孔陶瓷是当前最具应用潜力的发展方向之一,但其仍存在许多难点。首先,二氧化钛具有强烈的紫外吸收作用,难以实现光固化成形;其次,周期性点阵结构参数多样,各参数与性能之间的关系复杂,若要平衡压降、表面积和机械性能等关键性能,就要对高性能结构进行更加精确的设计。针对此问题,本文从浆料配方改进和结构优化设计两个角度出发,研究了高性能周期性点阵结构二氧化钛陶瓷的结构设计与光固化成形。论文的主要研究内容及研究结果如下:(1)研发了适用于光固化的二氧化钛陶瓷浆料。探究了浆料配方对粘度的影响,以60 wt%固含量、1 wt%分散剂、8 wt%活性剂配制浆料并球磨6 h后,获得了低粘度、高固含量的二氧化钛浆料。在浆料中引入混合光引发剂体系,并使用混合光源,大幅提升了浆料的光固化效果。通过优化打印参数和脱脂烧结参数,实现了多孔二氧化钛陶瓷的光固化成形,结果表明样件成型质量和精度较好,烧结后样件有所收缩,表面质量较好,致密度可达84.5%,且样件压缩强度可达15.9 MPa,高于现有技术。(2)实现了二氧化钛高性能周期性点阵结构的优化设计及成型。根据光固化成形样件的材料参数构建了多孔二氧化钛陶瓷的性能仿真模型,并通过实验进行了验证,结果表明仿真结果与实验数据相匹配。采用基于计算机辅助设计方法,探究了不同结构参数对性能的影响,并进行了数学模型拟合,结果表明角度a越大、b越大、c越小时综合性能越好,以a=153.4°、b=90°、c=45°为最优值设计了新型周期性点阵结构,较简单立方结构而言表面积增加了25.3%、压降降低了57.2%、最大应力值增加了24.4%。随后进行圆角化和部分增厚优化,结构的机械性能较优化前提升了10%。
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