基于微流挤出的3D打印氧化锆陶瓷烧结性能研究

作     者：陈彦涛 

作者单位：河北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：段国林

授予年度：2021年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 

主      题：氧化锆陶瓷 微流挤出成形 无压烧结 烧结性能 正交实验 

摘      要：氧化锆陶瓷由于强度高、韧性高、耐磨损、耐腐蚀、生物相容性好、与牙齿颜色接近等特点,被广泛用作齿科修复材料。传统陶瓷制造工艺加工成本高、周期长,限制了氧化锆在齿科修复领域的应用,而陶瓷3D打印技术的兴起与发展克服了这一难点。微流挤出成形是一种挤出陶瓷3D打印技术,具有定制化、快速成形和设备成本低等优点,但挤出3D打印陶瓷零件存在致密度低和性能较差等问题。烧结是制备高性能陶瓷的关键,好的烧结工艺可以使材料获得优异的性能。本文基于微流挤出成形工艺制备了氧化锆陶瓷坯体,并对其进行系统的烧结研究,旨在获得较优烧结工艺,为利用微流挤出成形工艺制造氧化锆陶瓷零件和陶瓷义齿提供借鉴。本文主要研究内容如下:(1)研究烧结温度对氧化锆陶瓷烧结性能的影响,并分析影响机理。制备固含量为58 vol%的水基氧化锆陶瓷浆料,经打印成形后在1350～1600°C无压烧结,对不同温度下烧结样品的性能进行测试。采用单因素变量法研究温度对氧化锆陶瓷烧结性能的影响规律,并结合经典固相烧结理论分析其影响机理。实验发现,在1550°C烧结后微流挤出成形氧化锆陶瓷致密度高、性能较好。(2)研究氧化锆陶瓷烧结性能随固含量的变化,并进行理论分析。制备不同固含量水基氧化锆陶瓷浆料(52～60 vol%),将各固含量打印坯体在1550°C无压烧结后进行性能测试。通过单因素变量法研究氧化锆陶瓷烧结性能随固含量的变化规律,并结合经典固相烧结理论和流体力学理论进行理论分析。实验发现,固含量为58 vol%时可获得综合性能较好的微流挤出成形氧化锆陶瓷。(3)基于正交实验优化氧化锆陶瓷的烧结性能。以固含量、烧结温度、保温时间和升温速率为四因素设计正交实验,以力学性能为主要指标,采用极差分析法研究各因素对指标的影响程度,进而确定较优工艺参数。实验发现,烧结温度对微流挤出成形氧化锆陶瓷性能影响最大,固含量次之,升温速率最小。对较优工艺参数下烧结样品性能进行评估,发现微流挤出成形工艺制备的氧化锆陶瓷致密度高、性能较好且更为均衡,满足生物医学对齿科陶瓷材料的力学性能要求。