可耐1400度高温光固化3D打印陶瓷问世

日前，HRL Laboratories开发出一种新技术，使用这种技术3D打印的超强陶瓷材料能够承受超过1400摄氏度高温。该公司认为该技术将很快用于航空航天公司。


3D打印陶瓷已经出现了一段时间了，像Vormvrij 3D和Deltabots这样的公司都开发了自己的陶瓷3D打印机和3D打印陶瓷产品。但是，当前的许多陶瓷3D打印机使用的都是相当简单的FDM工艺。而HRL Laboratories使用的是更为精确的光固化快速成形技术，从而能够制作出非常精细、高强度、 耐高温的3D打印陶瓷对象。

“我们有一种陶瓷前驱体（pre-ceramic）树脂，可以像聚合物那样打印，然后在过火后会转化为一种陶瓷。”HRL资深科学家Tobias Schaedler说：“尽管会有一些收缩的现象，但是这是非常均匀的，所以可以预测。”


通过开发这种名为“陶瓷前驱体聚合物”的可3D打印树脂，HRL似乎找到了一种可以避开与陶瓷3D打印相关常见陷阱的方法。此前一般的3D打印陶瓷技术由于打印出来的对象往往会出现裂缝和断裂，因此无法制造特别复杂的零件。而且大多数陶瓷3D打印机使用的往往是熔点比较低的“氧化物陶瓷材料”。而现在，得益于使用了精密的光固化快速成形工艺，HRL可以3D打印出致密而耐用、耐高温的陶瓷部件。


“我们发明了一种可兼容与光固化/3D打印的树脂配方，这种树脂在3D打印后经过过火可以生成致密的陶瓷部件。”HRL公司的一名工程师Zak Eckel解释说：“这是一个惊人的突破，因为它使我们能够制造出任意形状的陶瓷部件，这种部件强度非常高，而且能抗高温。通过这种技术，我们就能够充分利用3D打印带来的好处，使用一种非常有用的工程材料创造出复杂的3D部件。”

据了解，使用HRL公司售价3000美元的陶瓷3D打印机打印出来的东西根本不像陶瓷3D打印件，反而更类似于塑料零件。他们使用的特殊树脂中包含所有你需要的可以形成坚韧陶瓷的分子。这些树脂层经过了一种UV光的仔细蚀刻，然后将单体融合成聚合物。随后这种塑料状的打印件被放在一个有1000摄氏度高温、充斥着氩气的烤箱中，其中多余的化学基团被移除，留下了强大的陶瓷结构。


研究人员利用电子显微镜对最终产品进行了分析，在其表面没有检测到孔隙和裂纹。进一步的测试发现该陶瓷材料可承受高达1400摄氏度的高温而不会开裂和收缩。


HRL公司宣称他们制造出了可能全球首个3D打印的碳化硅陶瓷，而且团队认为还可以通过对陶瓷塑料树脂成份进行适当调整打印出更多种类的陶瓷。该公司认为其抗开裂、抗高温的陶瓷可以成为一种能够用于众多高温应用的理想材料，比如在高超声速飞行器和喷气发动机中使用。这种技术可以帮助设计者制造出很多专门的小零件，这种部件可以抵抗飞行器在起飞和飞行阶段排出的高温气体。


“如果在大气之中以10倍的音速飞驰，由于空气的摩擦，任何交通工具表面都会变得非常炽热。”Schaedler说：“人们如果想要制造高超声速飞行器就需要用陶瓷制造整个外壳。”

借助这种新技术，HRL的实验室研究人员可以3D打印两类有用陶瓷——一种是大的，但是具有非常轻量级的晶格结构，可以用于制作飞机和航天器的耐热板及其他外部部件；另外一种是小的、但是很复杂的零件，可以用于制作机电系统或喷气式发动机和火箭的组件。


Schaedler称他们的研究团队已经得到了美国国防部先进研究项目局（DARPA）的资助。“该方法使我们能够进一步接近将一些对立属性集中在一种材料上的目标，比如那种高强度、低密度或者低质量的材料，并将其打造成复杂的形状。”DARPA国防科学办公室主任Stefanie Tompkins说。


据了解，一旦进一步的测试完成，那些正在寻找小型、耐高温部件的火箭和卫星设计师可能会很快转向HRL的陶瓷3D打印工艺。《Science Magazine》上的一篇论文详细地介绍了该公司的研究成果。


（来源：天工社）