供稿人：王帅伟 连芩 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2023-06-06
部分或完全稳定氧化锆有着各种优异功能和结构特性，如良好的生物相容性、相变增韧特性、离子传导性、耐磨耐腐蚀性以及抗热震性。增材制造技术可以使用氧化锆材料打印出氧化锆陶瓷零件，但是要将微结构的几何形状优势与良好的机械功能特性结合起来却是具有挑战性的。美国弗吉尼亚理工大学材料科学与工程系的Hunter A. Rauch等人和美国加利福尼亚大学洛杉矶分校机械与航空航天工程系的Huachen Cui等人[1]采用钇稳定氧化锆材料，结合定制的LAPμSL（large-area projection micro-stereolithography system）大面积微立体光刻系统，采用自制的Y-TZP（yttrium-stabilized tetragonal zirconia polycrystals）陶瓷浆料打印出微蜂窝结构，展示出良好的能量耗散能力。
(A) LAPμSL打印机示意图；(B)单层曝光的打印过程示意图；(C)具有不规则宏观几何形状的几种素坯和烧结蜂窝结构的示例；(D)一种带有5×4六边形紧密填充阵列的烧结Y-TZP微蜂窝。
图 1 微蜂窝的立体光刻技术
图1（A）所示的是定制的LAPμSL系统，可用于逐层打印Y-TZP微蜂窝结构。该过程是逐层成形的，浆料从挤出喷嘴中流出，刮刀以剪切速率为6s-1的速度刮涂浆料。打印件的分层厚度为15μm，曝光能量为1200 mJ/cm2，曝光时间为15s。如图1（B）所示，投影仪发出的UV光以掩膜图案的形状进行曝光，固化的树脂包裹Y-TZP颗粒。曝光完成后，基板带着固化后的陶瓷素坯一同提起，刮刀重新进行刮涂，然后打印机打印下一层，直至打印出所需零件。图1（C）上展示的是打印出的蜂窝结构，用于测试最佳的打印参数以及烧制参数。根据确定后的参数，采用该工艺可以制造出由六边形蜂窝阵列组成的Y-TZP微蜂窝结构，烧结后的陶瓷件如图1(D)所示，壁厚为300μm，蜂窝直径为1.40±0.08mm。
使用打印出的蜂窝结构来进行平面外压缩的力学行为测试。图2（A）所示是所选的蜂窝结构的应力应变曲线，表现出了蜂窝陶瓷结构典型的两阶段变化特点。第一阶段是蜂窝结构的弹性形变，直至达到268MPa的应力，随后结构碎裂（黑色曲线），应力急剧下降。如图2（B）所示，虽然蜂窝结构出现断裂，但是只是局部失效，大部分结构完好。重新加载载荷，在第二阶段的应力应变曲线如图2(A)（绿色曲线）所示。在初始弹性形变阶段之后，应力不随应变出现显著变化，均在50~80MPa附近振荡。图2（C）-（D）显示了试验快照中的逐段破坏，其中蜂窝外部的小部分（通常归入单个壁段）单独断裂。这些断裂事件均与图2（A）中观察到的小突变有关。
(A)测量的均化应力与应变曲线显示了两个阶段的不同行为。(B)、(C)和(D)标示出了与(A)中标记的阶段I和阶段II中的三个加载步骤相对应的视频快照。快照在X-Z平面上拍摄，黑色箭头指示裂纹。周期性亮区和暗区分别是朝向或远离光源的蜂窝面。
图 2 Y-TZP微蜂窝在平面外压缩下的力学行为
图 3 Y-TZP蜂窝中的应力诱导相变
使用XRD对微蜂窝的晶体结构进行测试，并与压缩之前作比较。如图 3所示，虽然在压缩前后都主要显示与氧化锆四方相对应的峰，但是压缩之后的微蜂窝结构显示出小峰（例如（111 ̅）和（111）峰），表明存在约10vol%的单斜氧化锆。测试结构表明了Y-TZP存在应力诱变的马氏体相变。通过图 2中应力-应变曲线两个阶段下的积分，计算出机械试验期间的能量耗散密度为23.0 mJ/m3，约90%的能量在第二阶段耗散。标称横截面积为46.75 mm2，高度为2.55 mm，整个Y-TZP微蜂窝可消耗2.74 J的能量。而蜂窝质量为0.290 g，即使没有达到压缩后的完全致密化阶段，单位质量的能量耗散能力也为9.45 J/g。
这项研究采用定制的微立体光刻系统制造出了微蜂窝结构。研究团队通过测试制造出的微蜂窝结构在受力压缩时的应力应变，找到了应力诱导Y-TZP发生马氏体转变的证据。同时，Y-TZP微蜂窝结构的总能量耗散密度为9.45J/g，大大高于其它陶瓷蜂窝结构。