供稿人：胡即昌、贺健康 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2024-12-06
陶瓷材料具有强度高、硬度高、热稳定性好和抗氧化等优良特性，是许多应用的理想选择但这些特性也使其加工和成型特别具有挑战性。增材制造可以为先进复合材料和多材料设备的设计带来新的机会。然而，当涉及到无机材料的组合时，很难实现许多先进应用所要求的结构控制。因此，需要开发一种新的3D打印策略制造具有微结构复合材料陶瓷。
帝国理工学院Zhou Shitong等人开发了一种在致密陶瓷内打印复杂金属和碳结构的方法，并展示了该技术如何制造包含超材料增强材料的复合材料或在陶瓷中引入 3D 微通道阵列。此方法通过嵌入式打印，研发了一种自修复陶瓷凝胶，使打印喷嘴能够在其内部移动。经过热处理后，凝胶形成无缺陷的陶瓷，封装打印结构。这种技术可在氧化铝陶瓷内打印牺牲轻质石墨结构以及致密钢框架。结果表明，嵌入式 3D 打印可以为实现新的复合材料设计开辟道路。
嵌入式打印过程如图 1所示，可在补充信息中查看。在我们的系统中，墨水和基质均基于含有无机粉末的热可逆水凝胶 Pluronic F127。将打印喷嘴插入凝胶中直至基质恢复其刚度。之后喷嘴沿着预编程的路径移动，同时挤出墨水。喷嘴通过后，基质回流以修复喷嘴留下的裂缝，恢复其强度和刚度以支撑打印结构。利用这种方法，可在致密氧化铝内部构建钢和石墨结构。
图1 嵌入式打印工艺和打印复合材料示例
设计陶瓷复合材料时出现的问题之一是平衡强度和韧性。通常，一个的增加意味着另一个的大幅下降。通过在陶瓷基质中使用金属纤维的嵌入式打印，可以增加断裂功，同时在很大程度上保持强度。此外，该技术可以引入增强结构，旨在设计残余应力、引导裂纹扩展和最大化增韧。
图2 钢增强Al2O3的断裂行为及热应力的有限元建模
该研究介绍了基于热可逆 Pluronic水凝胶的基质和墨水凝胶，并通过控制打印温度、固体负载和Pluronic浓度来控制它们的粘弹性响应。结果表明，嵌入式打印是制造多材料无机结构的可行替代方案，未来可以找到额外的配方来支持无机基质中的嵌入式打印，并为结合超材料增强体的复合材料和用于结构和功能应用的设备的设计创造新的机会。