3D打印超強、耐損傷陶瓷

供稿人：齊晨云、連芩
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室
來源：中國機械工程學會增材制造技術（3D打印）分會

陶瓷具有高強度、高剛度和顯著的環(huán)境穩(wěn)定性，在航空航天、電子信息、生物醫(yī)學工程和其他領域得到了廣泛應用。而且其出色的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性也被應用于高溫和腐蝕環(huán)境等極端條件。然而，陶瓷對裂紋敏感，對于復雜多孔陶瓷中存在的微小缺陷，可能導致其機械性能的嚴重惡化，突然斷裂和災難性故障，帶來了巨大的安全隱患，難以應用于可靠性高的領域。

南方科技大學葛锜團隊基于三周期極小曲面結構理論，通過數(shù)字光處理(DLP)3D打印制造了超強、耐損傷陶瓷。該研究制備了固相含量40vol%的光敏ZrO2漿料，以100 μm的打印層厚和36 mJ/cm2的曝光能量打印了10mm×10mm× 10mm的ZrO2素坯。打印后素坯在Ar2中以0.25℃/min的升溫速率在550℃下加熱4 h進行熱解，然后在空氣中以1℃/min的升溫速率在1450℃下燒結2 h得到陶瓷零件。燒結后的陶瓷件尺寸為7.25mm×7.25mm×7.25mm，線收縮率為27.5%。

該研究的設計策略如圖1(a)所示。通過有限元分析(FEA)計算了Schwarz P、Gyroid和I-WP等三種單胞以及具有不同相對密度的八邊形桁架單胞的力學性質(圖1(b))。Schwarz P單胞的抗壓強度和斷裂應變隨相對密度線性增加。在50 %相對密度下，Schwarz P單胞的抗壓強度是Gyroid和I-WP單胞的3-4倍。圖1(c)顯示了三個TPMS單胞在初始和失效損傷下的應變分布。Schwarz P單胞具有更均勻的應變分布，因此它可以承受更多的載荷，并且不容易失效。另外兩種結構在局部區(qū)域具有集中應變，導致相對較差的承載能力。因此，在四種類型的結構中，Schwarz P結構表現(xiàn)出最好的機械性能。Schwarz P曲面的近似方程可以表示為cos⁡(X)+cos⁡(Y) 〖+cos〗⁡〖(Z)+c=0〗，其中X=2πx/a,Y=2πy/a,Z=2πz/a，a是晶胞參數(shù)，c是常數(shù)。

圖1 TPMS陶瓷的設計、制備和顯微結構。(a) Schwarz P單胞的幾何設計策略示意圖。 (b) 有限元分析三種不同TPMS單胞 (Schwarz P、Gyroid和I-WP)和具有不同相對密度的八邊形桁架單胞的抗壓強度和斷裂應變。(c)三個TPMS單胞(相對密度為50 %)在初始和失效損傷下的主應變等值線的有限元分析結果

圖2 裂紋產生和擴展的表征及機理分析。(a-d) Schwarz P結構經橫向28 kN載荷壓縮后的Micro-CT三維重建圖像。 (e-h) Schwarz P結構經縱向18.5 kN載荷壓縮后的Micro-CT三維重建圖像。(i-n)分別在橫向載荷(i-k)和縱向載荷(l-n)下的原位壓縮實驗

ZrO2 Schwarz P結構的單軸壓縮試驗顯示，當沿縱向施加載荷時，相對密度57.58 %的結構抗壓強度達到418 MPa。當沿橫向施加載荷時，該結構表現(xiàn)出超高的機械性能(圖2(c))，相對密度57.58 %的結構抗壓強度高達710 MPa。利用顯微CT成像和原位壓縮試驗，揭示了Schwarz P結構超強性能的來源于3D打印逐層堆疊的臺階效應。這些臺階導致裂紋產生并沿著打印層的方向擴展（圖2）。對于橫向壓縮，加載方向平行于打印層方向，臺階誘導裂紋平行于加載方向并位于垂直邊緣單元，即使邊緣受損，結構仍然可以承受更大的負荷，而不是突然斷裂，因此該結構在橫向上表現(xiàn)出超高的抗壓強度。對于縱向壓縮，加載方向垂直于打印層方向，臺階導致裂紋垂直于加載方向擴展。同時，外加載荷誘發(fā)了平行于加載方向的裂紋，這導致裂紋分布在整個結構中，這些結構會迅速斷裂，因此縱向的抗壓強度比橫向的要差。

該研究通過在橫向加載方向上對陶瓷結構的循環(huán)單軸壓縮試驗表明，這些結構具有良好的損傷容限，當28 %的結構已經損壞時，它們可以承受重復荷載20次，即使損傷高達44 %也能承受載荷而不失效。超強的耐損傷陶瓷結構可以降低災難性斷裂的風險，在工程應用中具有巨大的潛力。

參考文獻：
Rong Wang, Haitao Ye, Jianxiang Cheng, Honggeng Li, Pengfei Zhu, Bo Li, Rong Fan, Juzheng Chen, Yang Lu, Qi Ge, Ultrastrong and damage-tolerant ceramic architectures via 3D printing ，Additive Manufacturing, Volume 61,2023,103361,https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103361.