陶瓷材料3D打印技术——让复杂异形陶瓷材料构件制造成为可能

陶瓷材料因其良好的力学与热学性能、良好的热氧与化学稳定性，在航空航天、装甲、空间器件、交通、核能、化工、半导体、临床医疗等国防装备与民用重大装备领域得到了广泛应用。通常，国防与民用应用场合要求使用复杂异形的陶瓷材料构件及产品，这给其制造带来了极大难题与挑战。传统复杂异形陶瓷材料构件的制造主要有两种途径：其一，采用各种不同烧结技术制备陶瓷材料块体，再经机械加工、电加工等加工手段获得复杂异形陶瓷材料构件。然而，陶瓷材料一般本征脆性大、硬度大、可加工性差，在磨削、车削等加工过程中，极易对陶瓷材料造成不可逆的加工缺陷或损伤，极大影响陶瓷材料构件的性能与服役寿命。其二，采用注浆成型、注射成型、凝胶注模成型等不同的近净尺寸成型技术制备陶瓷材料生坯，再经烧结获得陶瓷材料构件。然而，这些近净尺寸成型方式不仅需要借助模具，且对于复杂异形(尤其是内孔、曲面、极复杂等)陶瓷材料构件的制造仍存在极大困难，一般只能获得形状复杂度较低的陶瓷材料构件。因此，发展陶瓷材料的先进制造技术，并研究相关基础科学问题，对于拓展陶瓷材料先进制造领域科学前沿，推进陶瓷材料在国防与民用重大领域应用具有重要意义。

增材制造技术(additive manufacturing)，通常又被称为3D打印技术(3D printing)、实体自由成型技术(solid free-form fabrication)、快速成型技术(rapid prototyping)等，基于离散-堆积原理，根据构件三维模型数据驱动，利用计算机切片技术，采用热源或粘结剂等方式将材料逐点、逐线、逐面堆积成构件。相对于传统等材或减材制造技术，增材制造技术可以不受模具制作或加工工艺的限制，解决了复杂异形构件的成型难题，并大大减少加工工序、缩短加工周期，且构件越复杂，增材制作的优势越显著，目前已在高分子材料、金属材料中得到广泛研究应用。近年来，陶瓷材料的3D打印研究在国际上成为研究热点，“十三五”以来，清华大学、北京理工大学、西安交通大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学、中南大学、深圳大学、广东工业大学、中科院空间应用工程与技术中心、中科院上海硅酸盐研究所、山东工业陶瓷研究设计院有限公司等单位开展了大量陶瓷材料3D打印的相关研究，在包括3D打印原材料开发、3D打印工艺研究、3D打印装备研发等领域取得了较大进步与成果。激光选区烧结(selective laser sintering, SLS)、光固化(包括立体光刻stereolithography(SL)与数字光处理(digital light processing， DLP))、墨水直写成型(direct ink writing, DIW)、双光子成型(two-photonpolymerization, TPP)等陶瓷材料3D打印技术得到了较大发展，典型先驱体转化陶瓷材料、氧化物陶瓷材料、非氧化物陶瓷材料等在3D打印研究方面取得了较大突破。

图1 美轮美奂的陶瓷“埃菲尔”铁塔

图2 精巧绝伦的陶瓷点阵结构

图3 精巧可爱的陶瓷象宝宝

图4 轻量化陶瓷反射镜

北京理工大学何汝杰副教授团队自2017年以来，针对陶瓷材料3D打印开展了系列研究，包括：(1)典型结构陶瓷材料的3D打印工艺方法与成形机理研究，重点开展典型氧化物陶瓷材料(SiO2、Al2O3、ZrO2、HA等)与非氧化物陶瓷材料(SiC、Si3N4等)光固化3D打印、短纤维增强陶瓷基复合材料直写3D打印的工艺方法与成形机理研究，并在3D打印装备的自主研制方面取得一定突破。(2)3D打印陶瓷材料内部缺陷表征方法与形性调控机理研究，主要开展内部缺陷XCT无损检测方法、缺陷控制策略、3D打印形性调控方法与调控机理研究。(3)结构功能一体化陶瓷材料设计与3D打印研究，重点从事轻量化承载防隔热一体化、轻量化抗冲击一体化、轻量化耐高温隐身一体化等陶瓷材料结构功能一体化研究。

3D打印技术，让复杂异形陶瓷材料构件的制造成为可能，必将为陶瓷材料先进制造与应用提供更大的机遇与舞台！