盤點可與3D 打印技術兼容的功能陶瓷材料

導讀：當我們提到陶瓷時，許多人首先想到的是陶器或瓷器，但功能陶瓷實際上是地球上最堅固和最堅韌的材料之一。功能陶瓷可分為氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷兩類，它們之間的主要區(qū)別在于氧化物至少含有一個氧原子和另一種元素，從而賦予其不同的性質。值得注意的是，非氧化物陶瓷通常具有更好的導電性和更高的硬度，而氧化物陶瓷更容易熔化和燒結，從而更容易在制造中使用。

此外，上述功能陶瓷可以以多種形式（包括細絲、粉末和樹脂）用于增材制造。在本期文章中，南極熊列舉了可與 3D 打印技術兼容的功能陶瓷材料，其中不包括粘土等其他常用陶瓷材料。這些功能陶瓷材料越來越多地應用到從航空航天、國防到汽車等各個領域，甚至生物醫(yī)學領域。

氧化物類陶瓷

氧化鋁

氧化鋁是與增材制造兼容的功能陶瓷之一，應用范圍廣泛，熔化溫度高于2000°C，具有很強的耐高溫和熱沖擊能力。氧化鋁也因其卓越的硬度而經常被選擇，使其成為僅次于金剛石的最硬的天然材料。它還因其耐腐蝕、耐高溫、電絕緣、導熱和生物相容性而受到贊賞。它用于電子（絕緣體）、生物醫(yī)學假肢、切削工具和航空航天等主要應用。

△圖片來源：優(yōu)美科

氧化鋯

氧化鋯材料在低溫和高溫下都具有出色的機械性能。由于其在室溫下導熱率相對較低，這種材料在暴露于極端條件下時表現出卓越的品質。在超過 1000°C 的溫度下，氧化鋯成為優(yōu)異的電導體。其高硬度、耐磨性、化學惰性和抵抗金屬侵蝕的能力使其成為廣泛應用的首選材料，包括珠寶、生物醫(yī)學設備、生物醫(yī)學植入物（特別是牙科植入物）和電子設備。

△照片來源：3DCeram

氧化硅類陶瓷

另一種用于增材制造的陶瓷材料是硅基（Silicone）陶瓷。硅基陶瓷專為鑄造磁芯設計，其主要成分是二氧化硅。多孔性是氧化硅主要優(yōu)點之一，極大地簡化了從鑄件中的取出流程，并便于清洗。此外，這種陶瓷在面對壓力時具有出色的機械強度和堅固性。Silicone幾乎可用于所有合金（含鈷合金除外），并且即使在非常高的溫度下也以其穩(wěn)定性而著稱。

△照片來源：3Dceram

堇青石

堇青石，也稱為藍晶石，是一種鎂鐵鋁環(huán)硅酸鹽（由二氧化硅組成的硅酸鹽礦物）。堇青石功能陶瓷主要用于航空航天工業(yè)的光學零件，也用于電加熱技術，包括采用增材制造的領域。例如，瞬時電熱水器的絕緣體、燃氣燃燒器的加熱導體支架或插入件均由堇青石制成。它們的膨脹系數較低，因此對溫度變化具有很強的抵抗力。堇青石還耐磨，具有良好的機械強度和低導熱率。堇青石分為多孔堇青石和致密堇青石。與致密類型相比，多孔堇青石的抗彎強度較低，但抗熱震性較高。

△照片來源：Keramikverband

羥基磷灰石

羥基磷灰石可以被認為是一種生物陶瓷材料。它是屬于磷灰石家族的礦物質，也是骨骼的主要成分之一。它常被用于 3D 打印，并與其他技術一起用于生物醫(yī)學領域的骨骼重建。羥基磷灰石也是一種生物活性材料，即它能夠與生物體的骨骼和軟組織形成直接化學鍵。這使得它特別有趣，因為羥基磷灰石植入物是可吸收的，這意味著它們在植入后不需要從體內移除。羥基磷灰石3D打印主要用于顱骨、脊柱和骨科植入物等的生產。

△照片來源：3DCeram

氧化鋁復合氧化鋯材料

氧化鋁，也稱為氧化鋁，在粘土和搪瓷的組成中起著重要作用。另一方面，由于具有相似的特性，氧化鋯通常被認為是鉆石的同類，是一種特別耐用的寶石。因此，硬化氧化鋁和氧化鋯的組合創(chuàng)造了一種特殊的陶瓷材料，具有工業(yè)和生物醫(yī)學應用。氧化鋁增強氧化鋯特別適合生物醫(yī)學領域，尤其是牙科，因為它具有莫氏硬度和韌性。其高生物相容性以及耐熱沖擊性和耐磨性使其成為口腔種植體、牙科零件和其他組件等牙科應用的理想選擇。

△圖片來源：CHEMCO

非氧化物陶瓷

碳化硼

碳化硼 (B4C) 是一種以其硬度而聞名的材料；它是世界上最硬的材料之一，僅次于金剛石和立方氮化硼。這種陶瓷具有優(yōu)異的耐磨性、抗壓性和耐熱性，密度低，導熱系數低。它主要用于航空航天應用（噴嘴的制造）、核應用或防彈背心或坦克等裝甲設備的生產。在增材制造中，它不是使用最廣泛的陶瓷，但它可以作為細絲（碳化硼與聚合物的混合物）以及粉末形式存在。

△碳化硼是一種功能陶瓷，可以在增材制造中以細絲或粉末形式使用。照片來源：Fiven

氮化硅

氮化硅是增材制造最有趣的功能陶瓷之一。它是一種以礦物形式（聶長石，存在于某些隕石中）存在的天然陶瓷。也可通過將硅粉在氮氣氣氛中加熱至1400℃而獲得。在性能方面，氮化硅具有很強的耐磨、耐腐蝕、耐開裂性能。它不僅是制造輕質、尺寸穩(wěn)定零件的理想材料，而且還是一種良好的電絕緣體，并且對熔融金屬具有低潤濕性（一種物理特性，表征液滴在固體表面上保持或擴散的能力）。這種功能陶瓷與增材制造結合使用，可在眾多行業(yè)中實現廣泛的用途。其最引人注目的應用是半導體、閥門和泵組件以及加熱管的制造。

△照片來源：UBE公司

氮化鋁

氮化鋁（AlN）是鋁和氮的化學物，其特性包括高導熱性、高效的電絕緣性和顯著的機械強度。這些特性使其成為電子行業(yè)，特別是微電子行業(yè)的首選。氮化鋁經常用于半導體結構，并作為 LED 技術中的散熱器。另一個優(yōu)點是它耐等離子體，并且在加工過程中使用安全。

△照片來源：3DCeram

碳化硅

碳化硅是一種極其耐用的化合物，盡管其成分與金剛石相似（考慮到該化合物中碳 (C) 和硅 (Si) 的尺寸差異，這似乎不太可能），但碳化硅衍生物種類繁多。有些經過燒結或再結晶，但它們具有共同的特性，使它們成為卓越的功能陶瓷，包括用于增材制造。盡管導熱率很高，但這些陶瓷的特點是具有出色的耐熱沖擊性和耐磨性。碳化硅具有卓越的耐腐蝕性、高硬度和高溫機械性能，是汽車和能源行業(yè)的理想復合材料。主要應用包括加熱系統(tǒng)、電動汽車和電動汽車充電站零件的制造，包括增材制造。

△照片來源：Arrow.com

中國已經出現一批陶瓷3D打印廠商，例如：北京十維、武漢三維陶瓷、浙江迅實、廈門斯瑪特陶泥、廈門智創(chuàng)誠陶泥、佛山光壘、西安點云、江蘇乾度、嘉興饒稷、武漢因泰萊、深圳升華三維、昆山博力邁、醴陵九天、濟南易造Eazao、上海數造、黑鋯增材、上海魅湃、君璟科技等