氧化锆陶瓷的光固化成型研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:tpsundl
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陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等一系列优异的性能,被广泛应用于航空航天、生物医疗、能源、化工等高技术领域。但由于陶瓷材料固有的硬度高、脆性大的特点,难以对其进行加工。结构复杂的陶瓷零件多采用依赖模具的胶态成型工艺制造,但是复杂模具的制造周期长、成本高,难以满足个性化、精细化、复杂化高端产品的快速制造需求。在各种快速成型技术中,光固化成型技术(SLA)精度高,具有广阔的应用前景。陶瓷光固化成型的基本过程是将陶瓷粉体与光敏树脂混合制成料浆,通过控制激光器或投影仪选择性地辐照浆料表面,引发光敏树脂原位发生光聚合反应,将陶瓷粉体粘结在一起。随后通过升降平台上下移动,实现陶瓷坯体的逐层固化。成型后的坯体再经脱脂烧结,得到具有复杂结构的陶瓷零件。本课题基于SLA技术,开展了两部分研究工作。工作之一是光固化成型用氧化锆陶瓷浆料的优化制备,包括氧化锆陶瓷粉体在光敏树脂中的分散,以及分散剂对粉体表面改性机理的研究。研究发现,粉体的性质中比表面积是影响浆料粘度的最重要因素,日本东曹公司生产的TZ-3YSE粉体比表面积较低、形貌接近球形,更容易配制高固含量、低粘度的浆料。研究了浆料固含量与粘度之间的关系,发现二者之间符合Krieger-Dougherty模型。研究发现分散剂DISPERBYK-103中的羰基和醚键能够锚固在氧化锆粉体表面起到修饰作用,可以提高光敏树脂对粉体的亲和性。分散剂DISPERBYK-103的最优添加量确定为3.5 wt.%。最后制备出了固含量42 vol.%、剪切速率30 s-1下的粘度值为4.88 Pa?s的浆料,满足工艺对浆料的性能要求。工作之二探究了影响光固化成型与烧结中固化厚度、尺寸精度、三维烧结收缩及致密度的因素。研究发现随着曝光时间的延长,单层固化厚度增加,坯体的层间结合力得到加强,但是横向上的过曝宽度也增大,打印精度降低。曝光时间不会对烧结过程中的收缩与致密度产生影响。当浆料固含量由36 vol.%增加至44vol.%时,固化厚度有增加的趋势,坯体横向过曝宽度未见受到影响,烧结收缩由约26%减小到约21.5%,但是致密度未受到影响且均大于98%。随着光引发剂浓度的增加,固化厚度有先增大后减小的趋势,试条横向过曝宽度增大,但是光引发剂浓度并不影响烧结收缩与致密度。随着塑化剂含量的增加,固化厚度及横向过曝宽度呈现先增加后减小的趋势,塑化剂不会对烧结收缩造成影响,但会在一定程度上有利于提高烧结体的致密度。优化的曝光时间、固含量、光引发剂浓度及塑化剂含量分别为1.75 s、40 vol.%、1 vol.%及25 vol.%。
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