短纖維氧化物陶瓷基復(fù)合材料的增材制造：工藝分析與材料性能

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

德國開姆尼茨理工大學(xué),、波蘭奧波萊理工大學(xué),、盧森堡科技學(xué)院（LIST）,、德國開姆尼茨弗勞恩霍夫機床和成型技術(shù)研究所的科研人員報道了短纖維氧化物陶瓷基復(fù)合材料的增材制造：工藝分析與材料性能的研究。相關(guān)研究成果以“Additive manufacturing of short fiber oxide ceramic matrix composite: Process analysis and material properties”為題發(fā)表在《International Journal of Applied Ceramic Technology》上,。

這項工作研究了基于材料擠壓的純氧化鋁基氧化物陶瓷基復(fù)合材料增材制造（AM）工藝鏈,，從材料選擇、大規(guī)模復(fù)合成球,、AM工藝本身,、脫脂和燒結(jié)以及微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)表征開始。復(fù)合顆粒中粘合劑（聚乙烯醇縮丁醛[PVB],、聚乙二醇[PEG]和硬脂酸）和氧化鋁（Al2O3,、氧化鋁粉末和Nextel 610氧化鋁纖維）各占 50%，燒結(jié)后纖維體積占40%,。這種材料在工業(yè)規(guī)模上的復(fù)合速度約為10 公斤/小時,，基于材料擠壓的AM工藝速度可達 1000毫米/秒。進料速度的變化導(dǎo)致表面粗糙度顯著增加,，質(zhì)量增加30%,，厚度增加12%，寬度增加25%,。四點彎曲試驗中的抗彎行為可以用快速達到第一個峰值來描述,，并在隨后出現(xiàn)第一條裂紋后達到更高的抗彎強度,，平均值為23.8±3.6 MPa，低于.1%的伸長率,。斷裂面顯示了預(yù)期的破壞機制,，如拉出和裂紋偏轉(zhuǎn)。打印樣品中的纖維長度平均為140µm,。

圖1：(A)雙螺桿擠出機通過熱模擠出進行混合和均化,。(B) 雙傳送帶風(fēng)干。(C)以約10公斤/小時的速度造粒,。(D)收集顆粒,。

圖2：(A) 采用固定擠出機頭和移動工作臺的材料擠出打印工藝。(B) 演示器的制造,。

圖3：擠出機螺桿轉(zhuǎn)速分別為 10 rpm,、11 rpm和 15 rpm 時生產(chǎn)的綠色樣品的表面質(zhì)量差異。

圖4：以10轉(zhuǎn)/分的螺桿轉(zhuǎn)速和不同的底座速度生產(chǎn)的綠色板材,。

圖5：(A) 不同壁厚的箱體演示,。(B) 箱體演示器的俯視圖及其尺寸

圖6：兩個不同尺寸、帶內(nèi)肋和不帶內(nèi)肋的箱形樣板,。

圖7：10 rpm 批次樣品24的部分輪廓測量,。

圖8：樣品8、11,、17 和 21 斷裂表面的掃描電子顯微鏡(SE)圖像（SE,，10 kV，2000×）,。

圖9：掃描電子顯微鏡（SEM）圖像（SE,，10 kV）。(A）整體（63×）,。(B）用40 Vol.% 的纖維增強（72×）,。

圖10：(A) 增材制造 (AM) 樣品和 (B) 陶瓷注射成型(CIM) 樣品的橫向切割 CT 圖像。

在未來的工作中,，重點將放在進一步完善打印工藝上,，以增強打印之間的粘附性和整合性，從而提高抗彎強度,。還將探索在3D打印中加入連續(xù)纖維的先進技術(shù),，重點是優(yōu)化纖維分布和排列,以提高承重能力,。此外,，還將繼續(xù)研究和開發(fā)以載荷為導(dǎo)向的設(shè)計方法，以提高各種應(yīng)用中打印組件的結(jié)構(gòu)完整性和性能,。此外,，還將繼續(xù)開發(fā)以應(yīng)用為導(dǎo)向的演示器,，展示擬議技術(shù)在滿足特定行業(yè)需求方面的實際可行性。這些未來的努力將推動AM和連續(xù)纖維增強材料的發(fā)展,，促進創(chuàng)造具有更強機械性能和結(jié)構(gòu)彈性的高性能,、特定應(yīng)用 CMC產(chǎn)品。


論文鏈接：https://doi.org/10.1111/ijac.14842