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《Ceramics International》:高固含量、低粘度立体光刻3D打印陶瓷芯浆料

《Ceramics International》:高固含量、低粘度立体光刻3D打印陶瓷芯浆料

  • 分类:资讯中心
  • 发布时间:2024-02-27 10:32
  • 访问量:

【概要描述】提高涡轮叶片的散热效率对于提高航空发动机的推重比至关重要。为了实现这一目标,需要设计复杂的内部冷却通道。然而,由于传统工艺的限制,制备复杂结构的陶瓷芯变得困难。因此,立体光刻3D打印技术成为一种可行的选择。为了成功制备高性能的陶瓷芯,需要制备高固含量、低粘度和均匀稳定性的陶瓷浆料。为了达到这些要求,选择合适的分散剂是非常关键的。本文研究了单分散剂和双分散剂对陶瓷浆料流变性能的影响,并阐明了分散剂的作用机理。我们成功制备了一种体积分数为70vol%、粘度为10520mPas(12.6s-1)的硅基陶瓷芯浆料。通过优化打印参数,实现了复杂结构的硅基陶瓷芯的制备。研究结果表明,增加固含量可以降低陶瓷芯的收缩率并提高其抗弯强度。通过成功制备基于高固含量浆料的复杂结构陶瓷芯,立体光刻3D打印技术在陶瓷芯领域得到了广泛应用。

《Ceramics International》:高固含量、低粘度立体光刻3D打印陶瓷芯浆料

【概要描述】提高涡轮叶片的散热效率对于提高航空发动机的推重比至关重要。为了实现这一目标,需要设计复杂的内部冷却通道。然而,由于传统工艺的限制,制备复杂结构的陶瓷芯变得困难。因此,立体光刻3D打印技术成为一种可行的选择。为了成功制备高性能的陶瓷芯,需要制备高固含量、低粘度和均匀稳定性的陶瓷浆料。为了达到这些要求,选择合适的分散剂是非常关键的。本文研究了单分散剂和双分散剂对陶瓷浆料流变性能的影响,并阐明了分散剂的作用机理。我们成功制备了一种体积分数为70vol%、粘度为10520mPas(12.6s-1)的硅基陶瓷芯浆料。通过优化打印参数,实现了复杂结构的硅基陶瓷芯的制备。研究结果表明,增加固含量可以降低陶瓷芯的收缩率并提高其抗弯强度。通过成功制备基于高固含量浆料的复杂结构陶瓷芯,立体光刻3D打印技术在陶瓷芯领域得到了广泛应用。

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2023年10月10日,东北大学、中国科学院和中国科学技术大学的研究人员在《Ceramics International》上发表题为High solid loading, low viscosity stereolithography 3D printing ceramic cores slurry的研究论文,报道了关于立体光刻3D打印硅基陶瓷芯浆料的研究工作。该研究通过系统分析不同种类和含量的分散剂对陶瓷浆料的流变性能和稳定性的影响规律,并探讨了分散剂在硅基陶瓷芯浆中的作用机理。研究人员选择了适合硅基陶瓷芯浆料的分散剂种类和含量,并优化了适合浆液体系的打印参数。经过实验,他们成功制备了具有高固含量和复杂结构的硅基陶瓷芯样品,并研究了这些样品对微观结构和力学性能的影响。这项研究为立体光刻3D打印高固含量浆料的制备提供了理论基础,并推动了立体光刻3D打印技术在陶瓷芯材行业的发展。

原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884223030973

 

 

  研究简介  

 

提高涡轮叶片的散热效率对于提高航空发动机的推重比至关重要。为了实现这一目标,需要设计复杂的内部冷却通道。然而,由于传统工艺的限制,制备复杂结构的陶瓷芯变得困难。因此,立体光刻3D打印技术成为一种可行的选择。为了成功制备高性能的陶瓷芯,需要制备高固含量、低粘度和均匀稳定性的陶瓷浆料。为了达到这些要求,选择合适的分散剂是非常关键的。本文研究了单分散剂和双分散剂对陶瓷浆料流变性能的影响,并阐明了分散剂的作用机理。我们成功制备了一种体积分数为70vol%、粘度为10520mPas(12.6s-1)的硅基陶瓷芯浆料。通过优化打印参数,实现了复杂结构的硅基陶瓷芯的制备。研究结果表明,增加固含量可以降低陶瓷芯的收缩率并提高其抗弯强度。通过成功制备基于高固含量浆料的复杂结构陶瓷芯,立体光刻3D打印技术在陶瓷芯领域得到了广泛应用。

 

 

图1 制备浆料用陶瓷粉末的粒度分布(a)SiO2粉末,(b)ZrO2粉末,(c)Al2O3粉末。

 

 

 

图2 SiO2基陶瓷芯浆的制备工艺及性能要求。

 

 

 

图3 沉降试验示意图。

 

 

 

图4 粘度为45vol%的固含量浆料加入不同种类的分散剂。

 

 

 

图5 不同分散剂对浆料的沉降试验:(a-d)1天、1周树脂沉降距离统计。(e-h)陶瓷粉在一天和一周内的沉降距离统计。

 

 

 

图6 不同分散剂在不同固含量下的粘度。

 

 

 

图7 不同分散剂改性粉末的FT-IR光谱。

 

 

 

图8 固含量为65vol%时双分散剂的粘度。

 

 

 

图9 (a,b)不同分散剂浓度对浆料粘度的影响;(c)不同分散剂浓度对浆料粘度的影响机理。

 

 

 

图10 (a)13vol%BYK111+BYK9076不同固含量陶瓷芯浆粘度,(b)基于K-D模型的相对粘度与固含量的依赖关系(式(8))。

 

 

 

图11 (a、b)不同参数下的固化深度和固化精度,(c)固化精度和固化深度测量示意图,(d)优选参数的固化性能示意图。

 

 

 

图12 (a-c)固含量为60、65、70vol%时烧结陶瓷芯的SEM图,(d)不同固含量下陶瓷芯的孔隙数,(e)不同固含量下烧结陶瓷芯的机理图。

 

 

 研究结论 

 

该实验研究了分散剂对陶瓷粉体分散性、浆料流动性和稳定性的影响。通过使用最佳组合的分散剂(BYK111+BYK9076)以及13vol%的浓度,成功制备了具有70vol%固含量和10520mPas(12.6s¹)粘度的硅基陶瓷岩心浆料。以下是研究的主要结论:

1.不同分散剂对浆料有不同的影响,最佳组合分散剂为BYK111+BYK9076,最佳浓度为液体体积的13vol%。

2.分散剂的作用机理是改善亲水性陶瓷粉与油性树脂之间的润湿性差异,提高陶瓷粉在料浆中的分散性,从而降低料浆的粘度,并增强料浆的稳定性。

3.随着固含量从65vol%增加到70vol%,在X、Y、Z方向上的收缩率分别从3.49%下降到2.86%、4.47%~2.29%和4.32%~2.95%。室温和高温抗弯强度分别从16.2MPa(65vol%)增加到19.5MPa(70vol%),从12.6MPa(65vol%)增加到18.5MPa(70vol%)。

4.成功制备了基于高固含量浆料的复杂结构陶瓷芯材,这有望推动陶瓷芯材领域立体光刻3D打印技术的发展。

 

 

 

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