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(jī)床和成型技術(shù)研究所的科研人員報(bào)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(xiàng)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(shí)，基于材料擠壓的AM工藝速度可達(dá) 1000毫米/秒。進(jìn)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(diǎn)彎曲試驗(yàn)中的抗彎行為可以用快速達(dá)到第一個(gè)峰值來描述，并在隨后出現(xiàn)第一條裂紋后達(dá)到更高的抗彎強(qiáng)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(jī)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(jī)通過熱模擠出進(jìn)行混合和均化。(B) 雙傳送帶風(fēng)干。(C)以約10公斤/小時(shí)的速度造粒。(D)收集顆粒。

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

圖3：擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速分別為 10 rpm、11 rpm和 15 rpm 時(shí)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(gè)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(qiáng)（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(diǎn)將放在進(jìn)一步完善打印工藝上，以增強(qiáng)打印之間的粘附性和整合性，從而提高抗彎強(qiáng)度。還將探索在3D打印中加入連續(xù)纖維的先進(jìn)技術(shù)，重點(diǎn)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(jì)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(shí)際可行性。這些未來的努力將推動(dòng)AM和連續(xù)纖維增強(qiáng)材料的發(fā)展，促進(jìn)創(chuàng)造具有更強(qiáng)機(jī)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