南华大学顶刊：陶瓷增材制造裂纹形成机理及抑制策略研究进展
时间：2023-12-22 10:46 来源：增材制造硕博联盟 作者：admin 阅读：次
裂纹形成是陶瓷增材制造(CAM)过程中的常见问题。该文综合比较了间接陶瓷增材制造（DCAM）和直接陶瓷增材制造（IDCAM）技术的成形特点。总结了CAM中微观和宏观裂纹的形态和空间分布特征。分析了IDCAM在成形、烧结和冷却等不同工艺阶段的裂纹形成机制，主要从应力分布和能量释放的角度讨论了DCAM中的裂纹形成机制。全面总结了抑制裂纹的方法，包括工艺参数、辅助能量场和材料成分。提出了CAM中裂纹研究的挑战和可能的未来趋势。
陶瓷材料由于具有耐高温、耐腐蚀和良好的化学稳定性等特点，被广泛应用于机械、化工、电子、航空航天、生物医学等工业领域。传统的陶瓷加工技术，包括注射成型、干压成型、凝胶注射成型等，对模具的依赖性很强，无法满足集成化、复杂化、精密化陶瓷产品快速制造的要求。增材制造技术基于离散堆叠原理，根据预先设计的三维实体模型，将一系列离散材料按预定轨迹逐层堆叠，从而制造出物理零件。与传统的陶瓷加工技术相比，陶瓷增材制造（CAM）技术打破了传统陶瓷加工过度依赖模具的局限，无需模具即可快速生产出完全个性化的陶瓷零件，结构设计自由度高，并被认为是构成工业4.0的众多颠覆性技术之一。CAM技术具有材料利用率高、生产周期短、成型精度高、表面质量好等优点，可实现形状复杂的单件、小批量陶瓷零件的定制化生产。然而，由于陶瓷的固有特性和CAM工艺的特点，成形件存在气孔、裂纹等典型成形缺陷。
图1.光固化技术原理图 (a)SLA工艺示意图；(b)DLP过程示意图
图2. 选择性激光烧结工作原理图
图3. 送粉直接成型技术工作原理图 (a)喷嘴工作位置示意图；(b)沉积系统和成型示意图
CAM工业应用滞后的主要原因是成形缺陷过多和成形质量差。其中，裂纹缺陷严重影响陶瓷件的力学性能，是该技术向工业实用化推进的最大障碍。目前，现有的CAM裂纹缺陷研究主要集中在实验方法的裂纹形貌和抑制上。根据是否需要进行后处理，CAM技术可分为间接陶瓷增材制造（IDCAM）和直接陶瓷增材制造（DCAM）。对于IDCAM，裂纹缺陷主要是在后续的高温脱脂和烧结过程中产生的。在高温脱脂过程中，生坯发生剧烈的体积收缩，进而在烧结件表面或内部产生裂纹缺陷。对于DCAM，陶瓷材料在可见光或近红外光范围内的低热震性、弱致密化和低光吸收使得该技术制备氧化物陶瓷仍然极具挑战性。在陶瓷粉末与高能量密度激光束的强相互作用下，陶瓷粉末在极短时间内经历高温熔化和冷却凝固过程，由此产生的高温梯度和冷却速率导致复杂的相变和微观结构变化。此外，这个过程不可避免地会产生热应力、收缩应力和内应力。在这些应力的耦合作用下形成不均匀的应力场，容易在样品表面或内部产生不同的微观和宏观裂纹缺陷。
图4. IDCAM陶瓷中的裂纹
图5. DCAM陶瓷裂纹 (a~c)微裂纹；(d~e)宏观裂纹
(责任编辑：admin)
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