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《Ceramics International》:用于3D打印的氧化铝-氧化锆陶瓷热弹性特性的多尺度建模

《Ceramics International》:用于3D打印的氧化铝-氧化锆陶瓷热弹性特性的多尺度建模

  • 分类:资讯中心
  • 发布时间:2024-02-19 09:34
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【概要描述】报道了使用3D打印技术对基于氧化铝、氧化锆或两者混合物的部件制造进行微调时需要分析的参数。具体来说,这些参数包括杨氏模量、导热系数、热膨胀系数(CTE)和泊松比。这些参数需要被考虑和分析,因为它们对最终部件的热弹性性能有影响。

《Ceramics International》:用于3D打印的氧化铝-氧化锆陶瓷热弹性特性的多尺度建模

【概要描述】报道了使用3D打印技术对基于氧化铝、氧化锆或两者混合物的部件制造进行微调时需要分析的参数。具体来说,这些参数包括杨氏模量、导热系数、热膨胀系数(CTE)和泊松比。这些参数需要被考虑和分析,因为它们对最终部件的热弹性性能有影响。

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2023年5月12日,阿威罗大学的研究人员在《Ceramics International》上发表题为Multiscale modelling of the thermoelastic properties of alumina-zirconia ceramics for 3D printing的研究论文,报道了使用3D打印技术对基于氧化铝、氧化锆或两者混合物的部件制造进行微调时需要分析的参数。具体来说,这些参数包括杨氏模量、导热系数、热膨胀系数(CTE)和泊松比。这些参数需要被考虑和分析,因为它们对最终部件的热弹性性能有影响。

 

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884223012968

 

 

 

 研究简介 

 

增材制造有助于精确制造氧化铝-氧化锆技术陶瓷。然而,3D打印这些部件的制造需要对其最终热弹性性能的参数进行分析。为此,该研究提出了数值程序的应用,旨在预测3D打印氧化铝-氧化锆陶瓷的有效热弹性性能。数值模拟考虑了三个尺度:微观、中观和宏观。微观尺度对应于烧结时不同成分的氧化铝-氧化锆滑铸样品的微观结构。宏观尺度对应于3D打印陶瓷多孔晶格的宏观结构,由周期单元胞在中尺度水平定义。因此,最初的微观结构分析提供了氧化铝/氧化锆比例对材料热弹性性能的影响,再加上周期单元胞的几何形状的定义,通过第二次分析提供材料和宏观结构晶格几何对结构热弹性性能的耦合影响。此外,在实验条件下,获得了烧结滑铸试样的热弹性性能并分析了显微组织模式。利用细观力学和复合理论模型预测了材料的微观组织有效热弹性性能。比较了所有微观结构水平的数值、实验和分析结果。文中还给出了细观和宏观结构水平的数值结果。

 

 

 

图1 含有:(a) 100% Al2O3, (b) 76% Al2O3, (c) 57% Al2O3, (d) 39% Al2O3, (e) 20% Al2O3, (f) 0% Al2O3的氧化铝-氧化锆复合材料显微照片。

 

 

 

图2 所选样品的膨胀曲线,用于CTE的测定。

 

 

 

图3 所选试样的应变曲线,用于泊松比的测定。

 

 

 

图4 每个热弹性特性的实验分布和趋势线。

 

 

 

图5  A76样品微观结构二值化显微图的“骨架”示例

 

 

 

图6 氧化铝-氧化锆复合材料杨氏模量随增强体体积分数的变化。

 

 

 

图7氧化铝-氧化锆复合材料的泊松比随增强体体积分数的变化。

 

 

 

图8 氧化铝-氧化锆复合材料导热系数随增强体体积分数的变化。

 

 

 

图9 对于氧化铝-氧化锆复合材料,CTE随增强体体积分数的变化。

 

 

 

图10 复合材料的导热系数由导热系数矩阵kh得到,对于不同的成分。

 

 

 

图11 复合材料的CTE由热模量矢量βh得到,对于不同成分。

 

 

 研究结论 

 

这项研究使用有限元数值程序,旨在预测3D打印AZ陶瓷材料的热弹性性能。研究分析了烧结滑铸样品的微观结构对宏观均匀和各向同性材料的热弹性性能的影响,以及宏观非均质各向异性结构的A/Z比和宏观晶格孔隙率对各向异性导热系数、热膨胀和弹性张量的耦合影响。采用OOF2软件对材料的热弹性性能进行了数值计算,包括杨氏模量、导热系数、CTE和泊松比。尽管对杨氏模量的数值计算存在一定高估的问题,但整体数值结果与实验结果基本一致。研究还比较了不同A/Z比下的热弹性性能的微观结构分析与数值细观力学和复合理论模型的结果。此外,该研究还采用了基于AEH方法的中观和宏观结构过程,这对于预测和分析3D打印氧化铝-氧化锆陶瓷材料的宏观结构力学性能非常有效。综上所述,同时采用这些数值程序可以成为预测3D打印AZ陶瓷材料的热弹性性能的准确和有效的多尺度建模工具。

 

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