基于光固化打印的氧化铝片晶强韧化陶瓷组织性能研究

作     者：滕家琛 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张忠明;武向权;冯娟妮

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：光固化增材制造 氧化铝片晶 织构氧化铝 珍珠母氧化铝复合陶瓷 陶瓷强韧化 

摘      要：氧化铝及其复合材料具备高强度、高硬度、抗腐蚀和耐磨损等优异性能,在生物医疗、石油化工、航空航天等领域具有广泛的应用前景。然而,氧化铝本身的硬脆特性导致其强度和韧性之间相互制约。为解决这一问题,本研究通过调控氧化铝陶瓷内部组织及其微观结构,使陶瓷晶粒呈一定方向规律排布形成织构氧化铝或珍珠母氧化铝复合陶瓷,这种特殊的微观结构有助于陶瓷强度和韧性协同提升。 光固化增材制造技术具有精度高、效率高、可实现复杂结构无模成型等特点,在光固化打印过程中浆料流动产生的剪切力能促使氧化铝片晶定向排布,这为制备织构氧化铝及珍珠母氧化铝复合陶瓷提供了可能性。基于这一思路,本研究将光固化增材制造技术与“珍珠母仿生结构相结合,制备织构氧化铝及珍珠母氧化铝复合陶瓷。系统地探讨了氧化铝片晶、氧化铝片晶吸附二氧化硅对浆料性能、陶瓷力学性能以及组织结构的影响,其主要结论如下: (1)织构氧化铝浆料粘度、临界曝光能量随着氧化铝片晶含量的增加呈降低趋势。添加氧化铝片晶后,织构陶瓷力学性能均有提高,当加入10vol.%的氧化铝片晶(10PL-90NP)时织构陶瓷弯曲强度和断裂韧性均最高(受力方向平行于打印方向时分别为318MPa、3.4 MPam1/2、受力方向垂直于打印方向时分别为272MPa、4.41MPam1/2;织构陶瓷硬度随着氧化铝片晶含量的增加呈降低趋势,硬度最大值在受力垂直打印方向和平行打印方向分别为16.21GPa和15.93GPa。 (2)当剪切速率为6.42s-1时,珍珠母陶瓷浆料粘度随氧化铝片晶含量的增加而降低。在相同的曝光能量下,浆料固化厚度随着片晶含量的增加而增加。当加入20vol.%氧化铝片晶(20PL-15SiO2)时,珍珠母氧化铝复合陶瓷的弯曲强度、断裂韧性均最高,在受力平行打印方向和垂直打印方向时分别为344MPa、3.57MPam1/2和352MPa、3.37MPam1/2。随着片晶含量的增加,珍珠母氧化铝复合陶瓷硬度整体呈降低趋势。成分为NP85-15SiO2的氧化铝复合陶瓷硬度最大,在力平行于打印方向和垂直于打印方向分别为12.24GPa和12.23GPa。 (3)当剪切速率为6.42 s-1时,珍珠母氧化铝复合陶瓷浆料粘度随氧化铝片晶吸附二氧化硅(PL@SiO2)含量的增加呈降低趋势;同曝光能量下,45PL@SiO2的陶瓷浆料的固化厚度最大。珍珠母氧化铝复合陶瓷弯曲强度随着氧化铝片晶吸附二氧化硅含量的增加呈降低趋势,当氧化铝片晶吸附二氧化硅含量为35vol.%时弯曲强度达到最大值(受力方向平行于打印方向时为408 MPa、受力方向垂直于打印方向时为435MPa);断裂韧性、硬度在氧化铝片晶吸附二氧化硅含量为45vol.%时达到最大值(受力方向平行于打印方向时为3.74MPam1/2、10.78GPa,受力方向垂直于打印方向时为4.39MPam1/2、10.58GPa)。