穩(wěn)定四方相氧化鋯的增材制造：微蜂窩結(jié)構(gòu)中的漸進(jìn)式塌陷、馬氏體轉(zhuǎn)變和能量耗散

供稿人：王帥偉 連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

部分或完全穩(wěn)定氧化鋯有著各種優(yōu)異功能和結(jié)構(gòu)特性，如良好的生物相容性、相變?cè)鲰g特性、離子傳導(dǎo)性、耐磨耐腐蝕性以及抗熱震性。增材制造技術(shù)可以使用氧化鋯材料打印出氧化鋯陶瓷零件，但是要將微結(jié)構(gòu)的幾何形狀優(yōu)勢(shì)與良好的機(jī)械功能特性結(jié)合起來(lái)卻是具有挑戰(zhàn)性的。美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)材料科學(xué)與工程系的Hunter A. Rauch等人和美國(guó)加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校機(jī)械與航空航天工程系的Huachen Cui等人[1]采用釔穩(wěn)定氧化鋯材料，結(jié)合定制的LAPμSL（large-area projection micro-stereolithography system）大面積微立體光刻系統(tǒng)，采用自制的Y-TZP（yttrium-stabilized tetragonal zirconia polycrystals）陶瓷漿料打印出微蜂窩結(jié)構(gòu)，展示出良好的能量耗散能力。

(A) LAPμSL打印機(jī)示意圖；(B)單層曝光的打印過(guò)程示意圖；(C)具有不規(guī)則宏觀幾何形狀的幾種素坯和燒結(jié)蜂窩結(jié)構(gòu)的示例；(D)一種帶有5×4六邊形緊密填充陣列的燒結(jié)Y-TZP微蜂窩。

圖 1 微蜂窩的立體光刻技術(shù)

圖1（A）所示的是定制的LAPμSL系統(tǒng)，可用于逐層打印Y-TZP微蜂窩結(jié)構(gòu)。該過(guò)程是逐層成形的，漿料從擠出噴嘴中流出，刮刀以剪切速率為6s-1的速度刮涂漿料。打印件的分層厚度為15μm，曝光能量為1200 mJ/cm2，曝光時(shí)間為15s。如圖1（B）所示，投影儀發(fā)出的UV光以掩膜圖案的形狀進(jìn)行曝光，固化的樹(shù)脂包裹Y-TZP顆粒。曝光完成后，基板帶著固化后的陶瓷素坯一同提起，刮刀重新進(jìn)行刮涂，然后打印機(jī)打印下一層，直至打印出所需零件。圖1（C）上展示的是打印出的蜂窩結(jié)構(gòu)，用于測(cè)試最佳的打印參數(shù)以及燒制參數(shù)。根據(jù)確定后的參數(shù)，采用該工藝可以制造出由六邊形蜂窩陣列組成的Y-TZP微蜂窩結(jié)構(gòu)，燒結(jié)后的陶瓷件如圖1(D)所示，壁厚為300μm，蜂窩直徑為1.40±0.08mm。

使用打印出的蜂窩結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行平面外壓縮的力學(xué)行為測(cè)試。圖2（A）所示是所選的蜂窩結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變曲線，表現(xiàn)出了蜂窩陶瓷結(jié)構(gòu)典型的兩階段變化特點(diǎn)。第一階段是蜂窩結(jié)構(gòu)的彈性形變，直至達(dá)到268MPa的應(yīng)力，隨后結(jié)構(gòu)碎裂（黑色曲線），應(yīng)力急劇下降。如圖2（B）所示，雖然蜂窩結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂，但是只是局部失效，大部分結(jié)構(gòu)完好。重新加載載荷，在第二階段的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2(A)（綠色曲線）所示。在初始彈性形變階段之后，應(yīng)力不隨應(yīng)變出現(xiàn)顯著變化，均在50~80MPa附近振蕩。圖2（C）-（D）顯示了試驗(yàn)快照中的逐段破壞，其中蜂窩外部的小部分（通常歸入單個(gè)壁段）單獨(dú)斷裂。這些斷裂事件均與圖2（A）中觀察到的小突變有關(guān)。

(A)測(cè)量的均化應(yīng)力與應(yīng)變曲線顯示了兩個(gè)階段的不同行為。(B)、(C)和(D)標(biāo)示出了與(A)中標(biāo)記的階段I和階段II中的三個(gè)加載步驟相對(duì)應(yīng)的視頻快照�？煺赵赬-Z平面上拍攝，黑色箭頭指示裂紋。周期性亮區(qū)和暗區(qū)分別是朝向或遠(yuǎn)離光源的蜂窩面。

圖 2 Y-TZP微蜂窩在平面外壓縮下的力學(xué)行為

圖 3 Y-TZP蜂窩中的應(yīng)力誘導(dǎo)相變

使用XRD對(duì)微蜂窩的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試，并與壓縮之前作比較。如圖 3所示，雖然在壓縮前后都主要顯示與氧化鋯四方相對(duì)應(yīng)的峰，但是壓縮之后的微蜂窩結(jié)構(gòu)顯示出小峰（例如（111 ̅）和（111）峰），表明存在約10vol%的單斜氧化鋯。測(cè)試結(jié)構(gòu)表明了Y-TZP存在應(yīng)力誘變的馬氏體相變。通過(guò)圖 2中應(yīng)力-應(yīng)變曲線兩個(gè)階段下的積分，計(jì)算出機(jī)械試驗(yàn)期間的能量耗散密度為23.0 mJ/m3，約90%的能量在第二階段耗散。標(biāo)稱(chēng)橫截面積為46.75 mm2，高度為2.55 mm，整個(gè)Y-TZP微蜂窩可消耗2.74 J的能量。而蜂窩質(zhì)量為0.290 g，即使沒(méi)有達(dá)到壓縮后的完全致密化階段，單位質(zhì)量的能量耗散能力也為9.45 J/g。

這項(xiàng)研究采用定制的微立體光刻系統(tǒng)制造出了微蜂窩結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)測(cè)試制造出的微蜂窩結(jié)構(gòu)在受力壓縮時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變，找到了應(yīng)力誘導(dǎo)Y-TZP發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的證據(jù)。同時(shí)，Y-TZP微蜂窩結(jié)構(gòu)的總能量耗散密度為9.45J/g，大大高于其它陶瓷蜂窩結(jié)構(gòu)。

參考文獻(xiàn)：
RAUCH H A, CUI H, KNIGHT K P, et al. Additive manufacturing of yttrium-stabilized tetragonal zirconia: Progressive wall collapse, martensitic transformation, and energy dissipation in micro-honeycombs [J]. Additive Manufacturing, 2022, 52: 102692.