3D打印超強(qiáng)、耐損傷陶瓷

供稿人：齊晨云、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
來(lái)源：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)（3D打印）分會(huì)

陶瓷具有高強(qiáng)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(xué)工程和其他領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。而且其出色的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性也被應(yīng)用于高溫和腐蝕環(huán)境等極端條件。然而，陶瓷對(duì)裂紋敏感，對(duì)于復(fù)雜多孔陶瓷中存在的微小缺陷，可能導(dǎo)致其機(jī)械性能的嚴(yán)重惡化，突然斷裂和災(zāi)難性故障，帶來(lái)了巨大的安全隱患，難以應(yīng)用于可靠性高的領(lǐng)域。

南方科技大學(xué)葛锜團(tuán)隊(duì)基于三周期極小曲面結(jié)構(gòu)理論，通過(guò)數(shù)字光處理(DLP)3D打印制造了超強(qiáng)、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(jìn)行熱解，然后在空氣中以1℃/min的升溫速率在1450℃下燒結(jié)2 h得到陶瓷零件。燒結(jié)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(shè)計(jì)策略如圖1(a)所示。通過(guò)有限元分析(FEA)計(jì)算了Schwarz P、Gyroid和I-WP等三種單胞以及具有不同相對(duì)密度的八邊形桁架單胞的力學(xué)性質(zhì)(圖1(b))。Schwarz P單胞的抗壓強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變隨相對(duì)密度線性增加。在50 %相對(duì)密度下，Schwarz P單胞的抗壓強(qiáng)度是Gyroid和I-WP單胞的3-4倍。圖1(c)顯示了三個(gè)TPMS單胞在初始和失效損傷下的應(yīng)變分布。Schwarz P單胞具有更均勻的應(yīng)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(jié)構(gòu)在局部區(qū)域具有集中應(yīng)變，導(dǎo)致相對(duì)較差的承載能力。因此，在四種類型的結(jié)構(gòu)中，Schwarz P結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出最好的機(jī)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(shè)計(jì)、制備和顯微結(jié)構(gòu)。(a) Schwarz P單胞的幾何設(shè)計(jì)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(duì)密度的八邊形桁架單胞的抗壓強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變。(c)三個(gè)TPMS單胞(相對(duì)密度為50 %)在初始和失效損傷下的主應(yīng)變等值線的有限元分析結(jié)果

圖2 裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的表征及機(jī)理分析。(a-d) Schwarz P結(jié)構(gòu)經(jīng)橫向28 kN載荷壓縮后的Micro-CT三維重建圖像。 (e-h) Schwarz P結(jié)構(gòu)經(jīng)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(shí)驗(yàn)

ZrO2 Schwarz P結(jié)構(gòu)的單軸壓縮試驗(yàn)顯示，當(dāng)沿縱向施加載荷時(shí)，相對(duì)密度57.58 %的結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度達(dá)到418 MPa。當(dāng)沿橫向施加載荷時(shí)，該結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出超高的機(jī)械性能(圖2(c))，相對(duì)密度57.58 %的結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度高達(dá)710 MPa。利用顯微CT成像和原位壓縮試驗(yàn)，揭示了Schwarz P結(jié)構(gòu)超強(qiáng)性能的來(lái)源于3D打印逐層堆疊的臺(tái)階效應(yīng)。這些臺(tái)階導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生并沿著打印層的方向擴(kuò)展（圖2）。對(duì)于橫向壓縮，加載方向平行于打印層方向，臺(tái)階誘導(dǎo)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(jié)構(gòu)仍然可以承受更大的負(fù)荷，而不是突然斷裂，因此該結(jié)構(gòu)在橫向上表現(xiàn)出超高的抗壓強(qiáng)度。對(duì)于縱向壓縮，加載方向垂直于打印層方向，臺(tái)階導(dǎo)致裂紋垂直于加載方向擴(kuò)展。同時(shí)，外加載荷誘發(fā)了平行于加載方向的裂紋，這導(dǎo)致裂紋分布在整個(gè)結(jié)構(gòu)中，這些結(jié)構(gòu)會(huì)迅速斷裂，因此縱向的抗壓強(qiáng)度比橫向的要差。

該研究通過(guò)在橫向加載方向上對(duì)陶瓷結(jié)構(gòu)的循環(huán)單軸壓縮試驗(yàn)表明，這些結(jié)構(gòu)具有良好的損傷容限，當(dāng)28 %的結(jié)構(gòu)已經(jīng)損壞時(shí)，它們可以承受重復(fù)荷載20次，即使損傷高達(dá)44 %也能承受載荷而不失效。超強(qiáng)的耐損傷陶瓷結(jié)構(gòu)可以降低災(zāi)難性斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，在工程應(yīng)用中具有巨大的潛力。

參考文獻(xiàn)：
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.