固体含量与烧结温度对氧化铝陶瓷力学性能的协同效应

《Materials Chemistry and Physics》：Synergistic effect of solid content and sintering temperature on the mechanical properties of alumina ceramics

氧化铝陶瓷通过添加15 wt% BYK-110分散剂制备，采用DLP 3D打印与烧结工艺优化孔隙率与力学性能。研究表明，70 wt%固含量陶瓷在1600°C烧结时抗弯强度达86.52 MPa（较60 wt%在1400°C时提升6.27倍），同时实现27.55%孔隙率与2.49 g/cm3密度，验证了高固含量与烧结温度协同作用对消除层间间隙、提升强度的关键性。

　　陶瓷芯在工业制造中扮演着至关重要的角色，尤其在空心叶片的设计和生产中。随着航空工业对发动机性能的不断追求，涡轮叶片需要在更高的温度下工作以实现更大的推重比。因此，空心叶片内部的冷却结构设计变得越来越复杂，这要求陶瓷芯不仅具备良好的机械性能，还要拥有可控的孔隙率，以确保其在高温环境下的热稳定性和化学耐受性。然而，传统的制造方法在实现这些复杂结构方面存在局限，难以满足现代航空发动机对高性能陶瓷芯的需求。

在这一背景下，研究人员开始探索新的制造工艺，以提升陶瓷芯的性能。其中，数字光处理（DLP）3D打印技术因其高精度和良好的成型质量，逐渐成为制造复杂陶瓷结构的优选方案。DLP技术通过逐层固化陶瓷浆料，形成绿色体，随后经过脱脂和烧结过程，最终获得具有优异机械性能的陶瓷部件。然而，DLP打印的陶瓷芯在脱脂过程中会形成大量孔隙，导致绿色体强度较低。而过高的烧结温度虽然能够提高陶瓷的致密度和强度，但也可能引发裂纹，影响其整体性能。因此，如何在保持高孔隙率的同时提升陶瓷芯的机械强度，成为当前研究的重点。

本研究通过引入特定的分散剂BYK-110，调整陶瓷浆料的固含量，以探索其对陶瓷芯机械性能的影响。实验选择了60 wt%、65 wt%和70 wt%三种不同的固含量，并在每种情况下添加15 wt%的BYK-110作为分散剂。通过优化DLP打印参数，如曝光功率和曝光时间，研究人员成功制备了具有不同固含量的陶瓷芯，并进一步分析了其在不同烧结温度下的性能变化。结果表明，当陶瓷芯的固含量达到70 wt%时，其在1600°C烧结后的弯曲强度显著提高，达到86.52±3.47 MPa，同时保持了3.45 g/cm3的体积密度。此外，70 wt%的陶瓷芯在1450°C烧结后，其弯曲强度也较60 wt%的陶瓷芯在1400°C烧结后的强度提高了1.99倍，达到了35.4±1.15 MPa，孔隙率为27.55±1.12 vol%，体积密度为2.49±0.04 g/cm3。这些结果表明，通过合理选择分散剂和优化烧结工艺，可以实现陶瓷芯的“双高”性能，即高孔隙率和高机械强度。

在实际应用中，陶瓷芯不仅需要具备良好的机械性能，还要满足多种功能需求。例如，陶瓷芯应具有较低的密度、较高的比表面积、较低的热导率以及良好的化学稳定性，同时还能实现对渗透性的精确控制。这些特性对于复杂或难以成型的铸件尤为重要，特别是在空心叶片的设计中。传统的陶瓷芯制造方法，如粉末压制、溶胶-凝胶法、热压铸造和失蜡铸造，虽然能够生产出具有一定性能的陶瓷芯，但往往需要复杂的模具制作，增加了生产成本和工艺难度。此外，这些方法在制造高精度、高复杂度的陶瓷芯时，还面临着烧结后结构不稳定、成型缺陷等问题。

相比之下，DLP 3D打印技术通过逐层固化陶瓷浆料，可以更高效地制造复杂结构的陶瓷芯。这一技术的关键在于浆料的配方和分散剂的选择。分散剂不仅能够降低浆料的粘度，使其更容易打印成型，还能通过物理或化学作用稳定陶瓷颗粒的分布，防止颗粒团聚。在本研究中，研究人员选择了BYK-110作为分散剂，其分子链能够在陶瓷颗粒表面形成吸附膜，从而实现有效的空间稳定作用。这种分散机制有助于提高陶瓷浆料的流动性，同时减少颗粒之间的相互作用，从而改善陶瓷芯的成型质量。

此外，研究还发现，当陶瓷芯的固含量达到70 wt%时，DLP打印过程中形成的层间间距基本消失，这表明在高固含量条件下，打印精度得到了显著提升。同时，这种高固含量的陶瓷芯在烧结后表现出优异的机械性能，没有明显的宏观或微观裂纹。这表明，在高固含量和适当的烧结条件下，陶瓷芯的性能可以达到一个理想的平衡点，即同时具备高孔隙率和高机械强度。这一发现为陶瓷芯的制造提供了新的思路，也为高性能空心叶片的设计奠定了基础。

在烧结过程中，温度对陶瓷芯的性能有着重要影响。随着烧结温度的升高，陶瓷芯的收缩率也随之增加。这是因为脱脂过程中树脂的去除会在陶瓷芯内部形成大量孔隙，而随着烧结温度的升高，这些孔隙会被逐渐消除，同时促进晶粒的生长，从而提高陶瓷芯的致密度和机械强度。然而，过高的烧结温度可能导致晶粒过度生长，进而引发裂纹，影响陶瓷芯的结构完整性。因此，选择合适的烧结温度对于实现陶瓷芯的“双高”性能至关重要。

实验还发现，不同固含量的陶瓷芯在不同烧结温度下的性能表现存在显著差异。例如，60 wt%的陶瓷芯在1400°C烧结后的弯曲强度较低，而70 wt%的陶瓷芯在1600°C烧结后的弯曲强度则显著提高。这表明，随着固含量的增加，陶瓷芯的机械性能也随之增强，但同时也需要更高的烧结温度来实现这一效果。此外，70 wt%的陶瓷芯在1450°C烧结后，其弯曲强度也较60 wt%的陶瓷芯在1400°C烧结后的强度提高了1.99倍，这进一步验证了高固含量和适当烧结温度对陶瓷芯性能的协同提升作用。

本研究的另一个重要发现是，高固含量的陶瓷芯在烧结过程中能够有效减少层间间距，从而改善其微观结构。层间间距的减少不仅有助于提高陶瓷芯的致密度，还能减少裂纹的产生，提高其整体机械性能。这一现象在70 wt%的陶瓷芯中尤为明显，表明在高固含量条件下，DLP打印技术能够实现更精确的结构控制，从而为高性能陶瓷芯的制造提供新的技术路径。

此外，研究还探讨了分散剂对陶瓷芯性能的影响。通过引入BYK-110，研究人员成功降低了陶瓷浆料的粘度，使其在高固含量条件下仍能保持良好的流动性。这不仅提高了打印效率，还减少了成型过程中的缺陷。同时，分散剂的使用还影响了陶瓷芯的烧结行为，使其在高温下能够更有效地消除孔隙，提高致密度和机械强度。这些发现表明，分散剂在陶瓷芯制造过程中起到了关键作用，其选择和用量直接影响陶瓷芯的最终性能。

综上所述，本研究通过结合DLP 3D打印技术和烧结工艺，成功制备了具有高孔隙率和高机械强度的陶瓷芯。实验结果表明，通过优化固含量和烧结温度，可以显著提高陶瓷芯的性能，同时减少成型缺陷和裂纹的产生。此外，分散剂的选择和使用对陶瓷芯的制造也起到了重要作用，其能够有效降低浆料粘度，提高打印精度和成型质量。这些研究为陶瓷芯的制造提供了新的技术思路，也为高性能空心叶片的设计和生产奠定了基础。