利用浆料直写无模成型技术制备自支撑TiO2光降解器件

介绍了一种基于光敏特性陶瓷浆料的浆料直写无模三维成型技术制备的线条直径为270μm的TiO2木堆结构光降解器件.对光敏浆料的配制方法、浆料直写无模成型的工艺原理进行了研究;利用TEM和XRD表征光敏浆料中TiO2粉体的形貌和物相;对器件的光降解性能进行了分析与测试;利用光学显微镜和SEM对成型后的样品结构、尺寸及表面微观形貌进行了分析,并基于此分析给出了这种器件高催化效率的原因.实验结果显示,该器件具有完整的三维木堆结构,表面粗糙多孔,极大地增加了光催化的作用面积,从而使其具有较高的光降解效率.在紫外光照射10min后,初始浓度为4mg/L的亚甲基蓝溶液降解率达到76%,紫外光照射20min后,亚甲基蓝溶液降解率可达91%.     

三维PZT木堆结构的直写成型

配制了一种水基锆钛酸铅(PZT)陶瓷浆料, 通过直写无模成型的方法制备了直径为微米级的压电木堆结构. 流变学测量表明, 浆料属于剪切变稀型流体; 微观形貌观察和密度测量表明, 烧结后的样品已经成瓷, 且具有较高的致密度; X射线衍射(XRD)的测试结果表明, 烧结后的样品具有三方PbZr_0.58Ti_0.42O₃相; 压电常数测试结果显示该结构有较好压电性, 且压电常数d₃₃为410pC/N. 无模成型技术具有结构可设计性强, 成型速度快, 成型精度高等优点, 为压电材料和器件的设计和应用提供了新的思路.     

复杂结构的压电陶瓷成型工艺研究

快速成型和凝胶注模的有机结合是制备复杂结构陶瓷体的有效方法,该工艺的关键是制备高固相、低黏度的注模浆料.采用快速成型和凝胶注模制备复杂结构的PMN-PZT压电陶瓷,重点讨论了分散剂、浆料pH值和球磨时间对注模浆料黏度的影响,并对该工艺和传统模压成型工艺制备的样品进行了形貌分析和电学性能测定.结果表明:当分散剂用量在0.9%~1.1%,pH值为10.5~11.5,球磨时间为8 h时,可以制备出固相含量为55%,黏度小于1 Pa.s的压电陶瓷浆料.使用该浆料制备的复杂结构压电陶瓷体与模压成型工艺相比,显微结构均匀致密、晶粒大小与晶界分布均匀,气孔率更小,电学性能更均匀.     

非氧化物陶瓷光固化增材制造研究进展及展望

目前光固化3D打印技术因打印成型精度高而被广泛应用于陶瓷增材制造, 其中非氧化物陶瓷如碳化硅、氮化硅等因打印材料粉体折射率和吸光度比较高, 光固化陶瓷浆料存在分散稳定性差、入射光难穿透并产生光固化反应的固化层厚度低等问题, 导致其固含量很难提高甚至于无法打印成型。高固含量的非氧化物陶瓷打印成型成为光固化3D打印的主要难点, 吸引了广大学者对其光固化机理、粉体调控等机制进行研究。本文系统地总结了几种非氧化物陶瓷光固化浆料的制备、光固化成型、有机物去除及烧结致密化的研究工作, 并就如何对光敏树脂组成进行调节、对陶瓷粉体进行改性的几种方法进行分析与讨论, 针对性地提出创新方案来改善非氧化物陶瓷的浆料性能、光固化打印优化和致密化缺陷修复及性能提升, 最终推动大尺寸、复杂结构的非氧化物陶瓷部件光固化增材制造高精度制备技术的进步。     

凝胶注模在PMN-PZT压电陶瓷中的应用

将凝胶注模成型技术应用于三元系压电陶瓷PMN-PZT的制备工艺中,重点讨论了分散剂、浆料pH值和固相含量对注模浆料粘度的影响,制备出固相含量高达55%(体积分数)、粘度<1Pa.s的压电陶瓷悬浮体,使用该浆料可获得达理论密度95%以上的致密PMN-PZT压电陶瓷。     

较大规格SnO_2坯体的凝胶注模成型及抑制其卷曲变形的工艺研究

在凝胶注模成型制备平板状陶瓷坯体的过程中,坯体在固化后极易发生卷曲变形,严重制约了该技术在平板陶瓷成型领域的应用。本文使用SnO2粉体,通过制备高固含量、低粘度的浆料,并在此基础上改变凝胶注模成型工艺中固化剂的引入方式,从而制备出较大规格无卷曲变形的平板SnO2坯体。     

氧化铝陶瓷直接凝固注模成型(DCC)工艺参数的研究

直接凝固注模成型(DCC)是利用陶瓷浆料粘度变化制备陶瓷坯体的先进成型方法,脱模时间长是限制其应用的主要问题.通过调整DCC工艺参数,减小充模前浆料的粘度以利于成形,而在充模后使浆料的粘度迅速增加,缩短脱模时间.将高固含量(体积分数为70%)低粘度的陶瓷浆料浇注到模具中,通过改变浆料的pH值或浆料离子浓度来改变其胶体化学行为,调节浆料流动性能;通过温度控制加速浆料凝固,使充模后10 min的浆料粘度与充模前浆料粘度比值达到13,3倍于传统浆料成型方法,充模后1 h即可得到有足够脱模强度的陶瓷坯体,效率显著提高.     

直接凝固注模成型氮化硅陶瓷

直接凝固注模成型是一种新颖的原位凝固成型工艺,特别适合于复杂形状陶瓷部件的成型．通过粉体的表面改性、浆料ｐＨ值的调节以及引入高效分散剂等途径制备出了低粘度高固含量的氮化硅浆料,通过直接凝固注模成型可以获得适当的素坯密度和强度．坯体气孔分布均匀,为较窄的单峰分布,断口光滑平整,坯体各部位密度具有很好的均匀性．在相对较低的烧结温度下（１７５０℃）,成型坯体经过无压烧结可达到理论密度的９８％,基本实现致密化．烧结体结构均匀,晶粒均匀生长,发育良好．经１８００℃烧结２ｈ后,抗折强度达７５８．４ ＭＰａ,断裂韧性为６．３ＭＰａ·ｍ^１／２．     

陶瓷3D打印技术及材料研究进展

综述了陶瓷3D打印技术和材料的特性及其研究进展与应用现状,重点讨论了喷墨打印技术、熔化沉积成型技术、光固化成型技术、分层实体制造技术、激光选区熔化技术/激光选区烧结技术、三维打印成型技术、浆料直写成型技术的特性和研究进展,分析了磷酸三钙陶瓷、氧化铝陶瓷、陶瓷先驱体、SiC陶瓷、Si_3N_4陶瓷、碳硅化钛陶瓷的特性和应用现状,最后指出了陶瓷3D打印技术的发展方向是与传统陶瓷工艺相结合,实现陶瓷制品的快速生产及生物陶瓷制品、高性能陶瓷功能零件的制造。     

核用氧化锆耐火材料光固化增材制造工艺及性能研究

目的 为提高精密铸造效率，缩短制模周期，利用光固化增材制造技术制备适合活泼金属铸造用的ZrO2陶瓷模具。方法 将光敏树脂与纳米级ZrO2陶瓷粉体混合得到具有光固化性能的陶瓷浆料，采用数字光投影增材制造设备对陶瓷浆料进行逐层曝光，揭示不同固含量对陶瓷浆料固化性能的影响规律;利用光固化3D打印制备ZrO2陶瓷生坯，经过干燥、脱脂和烧结处理，获得所需陶瓷样件，并对成型后的ZrO2陶瓷进行微观组织表征、力学性能(压缩和弯曲)和抗热震性能测试。结果 在相同固化强度的基础上，随着ZrO2陶瓷浆料固含量的增加，固化深度逐渐减小，固化宽度无明显变化。光强度越高，固化深度和宽度均越大。选用固含量(体积分数)为50%的陶瓷浆料，在紫外光波长405 nm、光强度25 mW/cm²、曝光时间2 000 ms、层厚30 μm的工艺条件下制备ZrO2陶瓷生坯，经过最高温度450 ℃脱脂和最高温度1 525 ℃烧结处理，获得了无变形和开裂的ZrO2陶瓷样件。陶瓷的压缩和弯曲强度分别达到2 943、833 MPa，与等静压工艺制备的陶瓷强度相当，优于其他3D打印工艺制备的陶瓷产品。光固化3D打印ZrO2陶瓷在800 ℃下热震10次和1 400 ℃下热震5次后才开始出现局部细小裂纹，满足核冶金铸造使用要求。结论 利用光固化3D打印技术可制备致密度大、强度高、抗热震性能良好的陶瓷模具，是一种工艺简单、效率高的新型陶瓷加工工艺，在核工业领域具有重要的应用前景。     

3D Printing of Ceramics with Controllable Green-Body Configuration Assisted by the Polyvinyl Alcohol-Based Physical Gels

Additive manufacturing of ceramics has received intense attention. In particular, 3D-printed ceramics with customized shapes are highly desirable in the chemical industry, aerospace, and biomedical engineering. Nevertheless, developing a simple and cost-effective process that shapes dense ceramics to complex geometries remains challenging because of the high hardness and low ductility of ceramic materials. Extrusion-based printing, such as direct ink writing (DIW), often requires supporting materials that pose additional difficulties during printing. Herein, a simple approach is developed to produce stretchable ceramic green bodies of zirconia and alumina for DIW. The ink is composed of polyvinyl alcohol (PVA) and an aqueous suspension of ceramic powders. Besides the colloidal network formed by the ceramic particles, PVA plays an important role in tuning the printability of the aqueous ink. Through a freeze-thaw process, PVA crystallizes to form physical networks. This strategy provides highly stretchable hydrogel green bodies that can be reprogrammed to complex geometries difficult for common DIW printing. The subsequent drying, debinding, and sintering processes produce ceramics with dense structures and fine mechanical properties. In short, this work demonstrates an efficient method for the DIW of ceramic parts that can be reprogrammed to complex geometries.     

A New 3D Printing Strategy by Harnessing Deformation,Instability, and Fracture of Viscoelastic Inks

Direct ink writing (DIW) has demonstrated great potential as a multimaterial multifunctional fabrication method in areas as diverse as electronics, structural materials, tissue engineering, and soft robotics. During DIW, viscoelastic inks are extruded out of a 3D printer's nozzle as printed fibers, which are deposited into patterns when the nozzle moves. Hence, the resolution of printed fibers is commonly limited by the nozzle's diameter, and the printed pattern is limited by the motion paths. These limits have severely hampered innovations and applications of DIW 3D printing. Here, a new strategy to exceed the limits of DIW 3D printing by harnessing deformation, instability, and fracture of viscoelastic inks is reported. It is shown that a single nozzle can print fibers with resolution much finer than the nozzle diameter by stretching the extruded ink, and print various thickened or curved patterns with straight nozzle motions by accumulating the ink. A quantitative phase diagram is constructed to rationally select parameters for the new strategy. Further, applications including structures with tunable stiffening, 3D structures with gradient and programmable swelling properties, all printed with a single nozzle are demonstrated. The current work demonstrates that the mechanics of inks plays a critical role in developing 3D printing technology.     

Y和YF3掺杂钛酸钡系PTCR材料的结构及性能

在不同烧结气氛下制备了Ｙ和ＹＦ_３掺杂钛酸钡材料,借助于ＸＲＤ、ＳＥＭ、ＸＲＦ和阻温测试分析仪,研究了烧结气氛对Ｙ和ＹＦ_３掺杂钛酸钡材料结构和性能的影响．研究结果表明,低氧分压气氛可促进Ｙ和ＹＦ_３掺杂钛酸钡材料的烧结,晶粒长大,而且这二种掺杂钛酸钡材料都是ｎ型半导体．经过氩气气氛烧结的Ｙ掺杂钛酸钡材料ＰＴＣＲ效应较弱;而对在氩气气氛中烧结的０．３ｍｏｌ％ＹＦ_３掺杂钛酸钡材料却观察到了较好的ＰＴＣＲ效应,这种效应的产生可能与Ｆ元素取代Ｏ位而导致材料的价控半导有关．     

BaTiO3陶瓷墨水的制备和性能

制备了喷射打印用BaTiO3陶瓷墨水，研究了墨水的理化性能。结果表明，在固相含量一定的条件下，BaTiO3陶瓷墨水的分散稳定性随分散剂PAA加入量的增加而增大，存在一个与固相含量有关的分散剂的最佳加入量，墨水的粘度随固相含量的增加而增大。     

Ni/PTCR陶瓷复合材料的显微结构与再氧化效果

用金属Ni复合的方法降低PTCR陶瓷的室温电阻率,采用草酸镍分解法制备了Ni/PTCR陶瓷复合材料,并对其显微结构进行了表征,研究了再氧化对PTCR效应的恢复和显微结构对再氧化效果的影响.结果表明,热处理可以明显地恢复复合材料的PTCR效应,而显微结构对热处理的效果有很大影响,在一定的工艺条件下这种Ni/PTCR陶瓷复合材料具有明显的PTCR特性和较低的室温电阻率.     

Universal Nanocarrier Ink Platform for Biomaterials Additive Manufacturing

Ink engineering is a fundamental area of research within additive manufacturing (AM) that designs next‐generation biomaterials tailored for additive processes. During the design of new inks, specific requirements must be considered, such as flowability, postfabrication stability, biointegration, and controlled release of therapeutic molecules. To date, many (bio)inks have been developed; however, few are sufficiently versatile to address a broad range of applications. In this work, a universal nanocarrier ink platform is presented that provides tailored rheology for extrusion‐based AM and facilitates the formulation of biofunctional inks. The universal nanocarrier ink (UNI) leverages reversible polymer–nanoparticle interactions to form a transient physical network with shear‐thinning and self‐healing properties engineered for direct ink writing (DIW). The unique advantage of the material is that a range of functional secondary polymers can be combined with the UNI to enable stabilization of printed constructs via secondary cross‐linking as well as customized biofunctionality for tissue engineering and drug delivery applications. Specific UNI formulations are used for bioprinting of living tissue constructs and DIW of controlled release devices. The robust and versatile nature of the UNI platform enables rapid formulation of a broad range of functional inks for AM of advanced biomaterials.     

多孔陶瓷的直写成型工艺研究进展

多孔陶瓷内部含有大量三维孔隙,具有轻质、高强、高比表面积、低导热系数等特性,但是多孔陶瓷的传统制备工艺对结构和性能的可控性较低,很难满足先进能源、航空航天、电子信息等领域的发展对多功能高性能材料的需求。直写成型工艺是一种制造成本低、材料使用性广、技术可拓展性高的3D打印工艺,不仅可以直接制备具有轻量化特点的多孔陶瓷,而且结合其他工艺可以实现多孔陶瓷的层级结构和多功能化,有望实现设计与制造、材料与器件、结构与功能的一体化。介绍了直写成型法3D打印多孔陶瓷的工艺原理,综述了直写成型法直接制备多孔陶瓷、直写成型结合乳液/泡沫法和冷冻干燥法制备层级多孔陶瓷的研究进展。由于工艺柔性高,直写成型法能够与其他方法良好融合,以制备具有特殊结构和性能的多孔材料,尤其是兼顾高强度、高孔隙率和形状可控性的层级多孔陶瓷。最后,总结了目前直写成型工艺制备多孔陶瓷的优势和不足,并对打印材料性能、打印设备和主要应用领域的发展进行了展望。     

稀土氧化物掺杂对钛酸钡基陶瓷电容器材料性能的影响

研究了 BaTiO_3基陶瓷电容器材料掺杂稀土元素对介电常数,热稳定性和介电损耗的影响。分别在 Ba-TiO_3ZnNb_2O_6中加入稀土氧化物 CeO_2、Sm_2O_3、Dy_2O_3等,测量了它们的介电常数和介电损耗及其与温度的关系(ε～T、tanδ～T),比较了三种稀土氧化物对陶瓷材料介电性质的影响,得到了一些有益的结果。     

Si_3N_4对PTC瓷料性能的影响

研究了 Si_3N_4掺杂 BaTiO_3基 PTC 瓷料的显微结构和性能。掺 Si_3N_4的瓷料中出现了大量特征的棒状晶体。Si 富集在棒状晶体中。与掺 SiO_2的瓷料比较,Si_3N_4掺杂的 PTC 瓷料显示了更多的优越性。     

立体光刻增材制造中固含量对Al2O3陶瓷性能的影响

对于陶瓷立体光刻增材制造技术, 光敏树脂浆料的固含量发挥着重要的作用。本工作首先制备了不同固含量的Al₂O₃陶瓷浆料, 并采用立体光刻增材制造技术, 制备了Al₂O₃陶瓷, 并研究了Al₂O₃浆料的固含量与陶瓷性能的关联关系。其次, 探索了固含量对Al₂O₃浆料的流变行为、固化性能, 以及对Al₂O₃陶瓷的微观结构、力学性能的影响规律。结果表明, 随着固含量增加, 浆料的粘度和剪切应力均增大。在光固化增材制造过程中, 高固含量导致浆料的粘度高于其自流平的临界值, 且Al₂O₃浆料的固化性能与固含量高度相关。此外, 固含量明显影响光固化增材制造的Al₂O₃陶瓷的缺陷。这些制造缺陷对于Al₂O₃陶瓷的力学性能有重要影响。最后, 本工作总结了光敏Al₂O₃浆料的流变行为、固化性能与Al₂O₃陶瓷的微观结构和力学性能之间的关联关系。浆料的高粘度造成陶瓷的微观结构不均匀, 最终导致其力学强度较差。本研究结果可为陶瓷的光固化增材制造提供一定的参考。