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《Additive Manufacturing》:光固化3D打印高精度高强度聚合物衍生SiOC陶瓷

《Additive Manufacturing》:光固化3D打印高精度高强度聚合物衍生SiOC陶瓷

  • 分类:资讯中心
  • 发布时间:2024-02-01 10:17
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【概要描述】在604-TMSPM-BA材料体系的基础上,开发了一种具有优异印刷性能和高陶瓷收率的PCP前驱体。BA的加入对高打印分辨率具有重要意义。BA能显著改善PCP坯体的力学性能,降低固化树脂与膜之间的附着力,避免印刷过程中对印刷结构的破坏。通过DLP3D打印技术制造各种高精度陶瓷机械零件,如螺钉,蜗轮,涡轮机,传动轴和喷嘴。整体尺寸从亚毫米到厘米的点阵和细胞结构可以制造,打印分辨率高达5微米。经1100℃真空热解后,PCP前驱体可转化为SiOC陶瓷,陶瓷收率高达56.9%。打印的I-WP结构SiOC陶瓷抗压强度可达240MPa,而实际密度仅为0.367g/cm3。相应的比强度高达6.54×105N·m/kg。在打印分辨率、比强度和陶瓷收率方面,本文的604-TMSPM-BA前驱体和衍生SiOC陶瓷与之前报道的作品相比都处于顶尖水平。本工作中对pdc的3D打印将极大地提高pdc的实际应用价值,在工程领域和极端环境中找到广泛的应用。

《Additive Manufacturing》:光固化3D打印高精度高强度聚合物衍生SiOC陶瓷

【概要描述】在604-TMSPM-BA材料体系的基础上,开发了一种具有优异印刷性能和高陶瓷收率的PCP前驱体。BA的加入对高打印分辨率具有重要意义。BA能显著改善PCP坯体的力学性能,降低固化树脂与膜之间的附着力,避免印刷过程中对印刷结构的破坏。通过DLP3D打印技术制造各种高精度陶瓷机械零件,如螺钉,蜗轮,涡轮机,传动轴和喷嘴。整体尺寸从亚毫米到厘米的点阵和细胞结构可以制造,打印分辨率高达5微米。经1100℃真空热解后,PCP前驱体可转化为SiOC陶瓷,陶瓷收率高达56.9%。打印的I-WP结构SiOC陶瓷抗压强度可达240MPa,而实际密度仅为0.367g/cm3。相应的比强度高达6.54×105N·m/kg。在打印分辨率、比强度和陶瓷收率方面,本文的604-TMSPM-BA前驱体和衍生SiOC陶瓷与之前报道的作品相比都处于顶尖水平。本工作中对pdc的3D打印将极大地提高pdc的实际应用价值,在工程领域和极端环境中找到广泛的应用。

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2023年11月19日,南方科技大学葛锜/王荣团队在《Additive Manufacturing》上发表题为Vat photopolymerization 3D printing of polymer-derived SiOC ceramics with high precision and high strength的研究论文,开发了一种具有超高打印精度和高陶瓷产率的PCP前驱体。

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103889

 

 

 

 研究简介 

聚合物衍生陶瓷(PDC)与3D打印技术相结合,可以制造传统陶瓷制备方法无法实现的各种复杂3D结构和组件。然而,目前的3D打印PDC技术存在精度低、机械性能差、陶瓷成品率低等问题,严重限制了其应用价值。在此,本文报道了一种基于聚硅氧烷的陶瓷前体聚合物(PCP)前驱体,能够生产高精度、高强度的SiOC陶瓷,在1100℃真空热解后陶瓷产率高达56.9%。在前驱体中添加丙烯酸丁高印刷分辨率。通过特殊的材料设计和打印参数优化,作者通过还原光聚合3D打印制造出各种复杂结构,其整体尺寸从亚毫米到厘米,打印分辨率高达5微米。I-WP结构的SiO酯可显着提C陶瓷的抗压强度高达240MPa,而其密度仅为0.367g/cm 3 ,对应的比强度高达6.54×10 5 N·m/kg。与之前报道的作品相比,打印分辨率、比强度和陶瓷成品率均处于顶尖水平。该方法将极大促进3D打印PDC技术在工程领域和极端环境中的工业应用。

 

 

图1 3D打印聚合物衍生SiOC陶瓷a.DLP光固化3D打印原理图b.3D打印陶瓷前驱体生坯c.热解后SiOC陶瓷点阵结构d.毫米到厘米尺度的陶瓷点阵结构e.3D打印各种陶瓷机械零件f.3D打印陶瓷棘轮

 

 

 

图2 材料和反应原理a.用于制备PCP前驱体的材料:聚硅氧烷SILRES®604、3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(TMSPM)和丙烯酸苄酯(BA)b.PCP前驱体水解缩聚和光聚合反应原理

 

 

 

图3 打印精度表征a.3D打印水平阶梯SEM图,用于测量面内打印精度b.水平阶梯的局部放大图,最小线宽为5μmc.3D打印垂直阶梯SEM图,用于测量前驱体固化深度d.固化深度随曝光能量函数关系e-f.3D打印杆径为8μm高精度octet truss点阵结构(热解前)

 

 

 

图4 3D打印SiOC陶瓷的力学性能a.不同孔隙率TPMS结构的应力-应变曲线b.不同TPMS结构的压缩强度比较c.文献报道SiOC或SiC陶瓷结构压缩强度与密度的Ashby图d.在打印精度、比强度、硬度和陶瓷产率等四方面与文献进行比较

 

 

 研究结论 

在604-TMSPM-BA材料体系的基础上,开发了一种具有优异印刷性能和高陶瓷收率的PCP前驱体。BA的加入对高打印分辨率具有重要意义。BA能显著改善PCP坯体的力学性能,降低固化树脂与膜之间的附着力,避免印刷过程中对印刷结构的破坏。通过DLP3D打印技术制造各种高精度陶瓷机械零件,如螺钉,蜗轮,涡轮机,传动轴和喷嘴。整体尺寸从亚毫米到厘米的点阵和细胞结构可以制造,打印分辨率高达5微米。经1100℃真空热解后,PCP前驱体可转化为SiOC陶瓷,陶瓷收率高达56.9%。打印的I-WP结构SiOC陶瓷抗压强度可达240MPa,而实际密度仅为0.367g/cm3。相应的比强度高达6.54×105N·m/kg。在打印分辨率、比强度和陶瓷收率方面,本文的604-TMSPM-BA前驱体和衍生SiOC陶瓷与之前报道的作品相比都处于顶尖水平。本工作中对pdc的3D打印将极大地提高pdc的实际应用价值,在工程领域和极端环境中找到广泛的应用。

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