西安交通大学の研究者が高性能セラミック3Dプリントで新たな進歩を遂げる

西安交通大学の研究者が高性能セラミック3Dプリントで新たな進歩を遂げる
出典:交通大学ニュースネットワーク

航空宇宙、原子力工学などの分野で高性能セラミックスの応用の需要はますます高まっています。従来の成形技術と比較して、セラミック3Dプリント成形技術には、複雑な構造の準備、ニアネット成形、金型不要の迅速な製造、コスト削減などの利点があります。現在、中国におけるセラミック積層造形材料、成形プロセス、設備の研究はまだ初期段階にあります。特に、密度と強度に優れたセラミック光造形(SLA)ペーストの開発、セラミック固体部品の脱脂、焼結中のひび割れや変形の防止など、重要な技術には依然として多くのボトルネックと困難が残っています。

西安交通大学のバオ・チョンガオ教授の研究チームは、従来の光硬化ペーストの製造に必要な分散剤と光吸収剤の代わりにポリドーパミンを使用して溶融石英(SiO2)セラミックの表面を改質し、光硬化(SLA)技術に基づいてSiO2f/m-SiO2セラミックペーストを製造しました。調製されたSiO2f/m-SiO2セラミックペーストは、優れたレオロジー特性と高い成形精度を備えています。 SiO2f/m-SiO2複合セラミックスは、シリカゾル含浸技術と組み合わせた光硬化成形によって含浸され、SiO2f/m-SiO2複合セラミックスの機械的特性が向上しました。結果によると、含浸回数が 3 回の場合、SiO2f/m-SiO2 複合セラミックスの機械的特性は大幅に向上し、曲げ強度は約 20.4% 増加し、圧縮強度は約 42.0% 増加しました。




この成果は、国際トップクラスの3DプリンティングジャーナルAdditive Manufacturingに「シリカゾル含浸と組み合わせたステレオリソグラフィーによる繊維強化ポリアミンコーティングシリカペーストの製造とSiO2f/SiO2複合材料の機械的特性」というタイトルで掲載されました。材料科学工学学院の博士課程学生であるDong Wencai氏が論文の第一著者であり、Bao Chonggao教授が唯一の責任著者であり、西安交通大学金属材料強度国家重点実験室が論文の唯一の責任著者ユニットです。

研究チームは近年、高温に強く、透明性が高く、多孔質で複雑な構造を持つ窒化ケイ素、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウムなどのセラミックの積層造形に関する一連の研究を行ってきました。チームはペーストのレオロジー特性、光硬化成形のメカニズム、成形欠陥の形成と除去のメカニズム、複雑な部品の形状制御のメカニズムに焦点を当ててきました。研究成果は、Additive Manufacturing、Journal of the European Ceramic Society、Ceramics Internationalなど、国際的に有名なジャーナルに5つの研究論文として発表されただけでなく、航空宇宙応用部門と協力して、さまざまな大型セラミックサンプルを開発しており、機能構造統合型高性能セラミック積層造形と応用の「ラストマイル」問題を解決する上で大きな意義を持っています。

耐熱性、高波動透過性石英(SiO2)セラミックアンテナウィンドウカバー航空宇宙部品は、サイズが大きく、壁が薄く、曲面形状などの異質な特性を持っています。従来の成形プロセスでは、サブトラクティブ法が採用されており、材料の無駄が多く、処理コストが高く、サイクルが長いだけでなく、処理中に脆く割れやすく、歩留まりも低くなります。研究チームはセラミック光硬化技術を採用し、SLAペースト成分、光硬化、脱脂、焼結、後処理などのキーテクノロジーを体系的に研究しました。対象構造部品の成形サイクルはわずか17時間です。繊維強化、複合含浸、最適化された成形、脱脂、焼結プロセスを通じて、密度、強度、寸法精度の要件が満たされ、複雑な部品用セラミックの積層製造技術に重要な進歩をもたらしました。

この研究は、中国国家自然科学基金、第一航空宇宙科学技術アカデミー大学共同イノベーション基金プロジェクト、およびその他のプロジェクトによって資金提供されました。材料の準備、性能特性評価、およびテスト作業は、国家付加製造イノベーションセンター、西安交通大学分析およびテスト共有センター、および材料科学および工学学院分析およびテストセンターによってサポートされました。


論文リンク: https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.102714





陶芸、西安交通大学、科学研究

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