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激光选区烧结多孔堇青石陶瓷微观结构及性能

华中科技大学学报（自然科学版） 2016年第6期44卷 46-51页

作者：魏青松唐萍吴甲民周舰华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室湖北武汉430074 中国北方车辆研究所北京100072

针对传统加工方式复杂结构多孔堇青石陶瓷零件难成形问题,提出采用激光选区烧结(SLS)成形复杂宏观多孔堇青石(2MgO·2Al_2O_3·5SiO_2)陶瓷,利用高温烧结对有机粘结剂的烧损作用成形微观多孔,以获得宏、微观孔并存结构.通过扫描电子显微... 详细信息

针对传统加工方式复杂结构多孔堇青石陶瓷零件难成形问题,提出采用激光选区烧结(SLS)成形复杂宏观多孔堇青石(2MgO·2Al_2O_3·5SiO_2)陶瓷,利用高温烧结对有机粘结剂的烧损作用成形微观多孔,以获得宏、微观孔并存结构.通过扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)表征SLS成形陶瓷的微观形貌及相特征,并研究SLS工艺及高温烧结温度对陶瓷强度及孔隙率的影响规律.SEM结果显示:SLS成形的多孔陶瓷初坯存在大量不规则孔隙,经过高温烧结后孔隙因为有机粘结剂的分解而增多,然后随高温烧结温度的升高孔隙逐渐减少.XRD分析结果表明:堇青石经SLS和高温烧结温度1 400℃以下时其相组成无明显改变,高于1 450℃时,出现部分分解,得到MgO相.SLS初坯抗压强度达1.54MPa,经1 400℃高温烧结4h其强度达到13.77 MPa.最后,应用优化工艺成形出传统工艺难以制造的复杂多孔堇青石陶瓷.

关键词：激光选区烧结堇青石陶瓷微观结构抗压强度

增材制造技术前沿:从3D打印迈向4D打印——3D打印材料制备与成形技术前沿分论坛侧记

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中国材料进展 2019年第10期38卷 954-955页

作者：伍宏志吴甲民华中科技大学

3D打印技术作为第三次工业革命的重要标志之一,引发了研究人员对3D打印的持续高度关注。3D打印材料的制备与成形技术一直是3D打印技术的关键,经过近四十年的研究,3D打印材料基本形成了金属、聚合物、陶瓷三大类材料及其复合材料,与这些... 详细信息

3D打印技术作为第三次工业革命的重要标志之一,引发了研究人员对3D打印的持续高度关注。3D打印材料的制备与成形技术一直是3D打印技术的关键,经过近四十年的研究,3D打印材料基本形成了金属、聚合物、陶瓷三大类材料及其复合材料,与这些材料相关的成形技术也得到了充分的发展。对3D打印的研究方兴未艾,关于4D打印的研究如日方升。

关键词：第三次工业革命成形技术如日方升增材制造技术论坛复合材料前沿

基于粉末成形的激光增材制造陶瓷技术研究进展

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无机材料学报 2022年第3期37卷 241-254页

作者：曹继伟王沛刘志远刘长勇吴甲民陈张伟深圳大学增材制造研究所深圳518060 广东省电磁控制与智能机器人重点实验室深圳518060 华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点实验室武汉430074 华中科技大学增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心武汉430074

陶瓷以其优异的热物理化学性能在航空航天、能源、环保以及生物医疗等领域具有极大的应用潜力。随着这些领域相关技术的快速发展,其核心零件部件外形结构设计日益复杂,内部组织逐步走向定制化、梯度化。陶瓷具有硬度高、脆性大等特点,... 详细信息

陶瓷以其优异的热物理化学性能在航空航天、能源、环保以及生物医疗等领域具有极大的应用潜力。随着这些领域相关技术的快速发展,其核心零件部件外形结构设计日益复杂,内部组织逐步走向定制化、梯度化。陶瓷具有硬度高、脆性大等特点,较难通过传统的加工成形方法实现异形结构零件的制造,最终限制了陶瓷材料的工程应用范围。激光增材制造技术作为一种快速发展的增材制造技术,在复杂精密陶瓷零部件的制造中具有显著优势:无模、精度高、响应快以及周期短,同时能够实现陶瓷零件组织结构灵活调配,有望解决上述异形结构陶瓷零件成形问题。本文综述了多种基于粉末成形的激光增材制造陶瓷技术:基于粉末床熔融的激光选区烧结和激光选区熔化;基于定向能量沉积的激光近净成形技术。主要讨论了各类激光增材陶瓷技术的成形原理与特点,综述了激光选区烧结技术中陶瓷坯体后处理致密化工艺以及激光选区熔化和激光近净成形技术这两种技术中所打印陶瓷坯体基体裂纹开裂行为分析及其控制方法的研究进展,对比分析了激光选区烧结、激光选区熔化以及激光近净成形技术成形陶瓷零件的技术特征,最后展望了激光增材制造陶瓷技术的未来发展趋势。

关键词：激光增材制造激光选区烧结激光选区熔化激光近净成形技术陶瓷综述

分层厚度和CuO-TiO_(2)含量对黏结剂喷射成形Al_(2)O_(3)陶瓷型芯性能的影响

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硅酸盐学报 2024年第9期52卷 2925-2933页

作者：赵巍常佳俊魏青松吴甲民叶春生华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术全国重点实验室武汉430074

Al_(2)O_(3)陶瓷因其良好的耐高温性和化学稳定性,常被用作涡轮叶片铸造成形的型芯材料,但低温烧结的力学性能难以满足型芯零件的应用标准。为了解决该问题,本工作提出一种黏结剂喷射成形过程中以CuO-TiO_(2)作为液-固相烧结助剂实现Al_... 详细信息

Al_(2)O_(3)陶瓷因其良好的耐高温性和化学稳定性,常被用作涡轮叶片铸造成形的型芯材料,但低温烧结的力学性能难以满足型芯零件的应用标准。为了解决该问题,本工作提出一种黏结剂喷射成形过程中以CuO-TiO_(2)作为液-固相烧结助剂实现Al_(2)O_(3)陶瓷型芯的低温力学性能的提升。详细探究了CuO-TiO_(2)含量(0~10%,质量分数)和分层厚度(60~100μm)对Al_(2)O_(3)陶瓷孔隙率、尺寸收缩率和力学性能的影响规律。结果表明,添加CuO-TiO_(2)既可以部分填充颗粒孔隙,又可以与Al_(2)O_(3)反应来提高坯体的综合性能。此外,低分层厚度(如60μm)有利于获得较优的性能。1500℃保温2 h烧结后各成分烧结体对应的相对密度较优值分别为30.64%±1.01%,55.33%±2.49%,53.68%±0.99%,54.31%±0.74%和55.50%±1.95%,对应的孔隙率由64.94%±1.2%逐渐下降到41.85%±1.82%。此时,纯Al_(2)O_(3)陶瓷X-Z轴尺寸收缩率均小于4%,而含CuO-TiO_(2)的坯体X-Z轴尺寸收缩率最大值分别小于17%,19%和17%。抗弯和压缩强度随着CuO-TiO_(2)含量增加先增加后减小,5.0%坯体获得最佳值分别为(29.4±1.57)MPa和(61.82±1.73)MPa,这与显微结构中气孔分布和Cu-Al-O系物相生成量有一定关系。

关键词：氧化铝陶瓷型芯液-固相烧结助剂分层厚度孔隙率力学性能

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方兴未艾的陶瓷增材制造

硅酸盐学报 2021年第9期49卷 1785-1785页

作者：吴甲民华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点实验室武汉430074 增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心武汉430074

陶瓷材料因具有高强度、耐高温、耐腐蚀及良好的绝缘性和生物相容性等特点,被广泛应用于机械、电子、航空航天、生物医疗等领域。随着具备力学、热学、光学、电学及生物特性的新型陶瓷的快速发展,制造高性能、复杂结构陶瓷零件的需求日... 详细信息

陶瓷材料因具有高强度、耐高温、耐腐蚀及良好的绝缘性和生物相容性等特点,被广泛应用于机械、电子、航空航天、生物医疗等领域。随着具备力学、热学、光学、电学及生物特性的新型陶瓷的快速发展,制造高性能、复杂结构陶瓷零件的需求日益迫切,这对陶瓷成型方法提出了越来越高的要求。传统陶瓷成型方法,如干压、凝胶注模、等静压、流延等对模具依赖性强,部分复杂结构陶瓷甚至难以采用传统成型方法制造。因此,探索无需模具的高性能、复杂结构陶瓷零件的新型成型方法已成为陶瓷领域的研究热点。

关键词：陶瓷增材制造 3D打印

氧化锆生物陶瓷的立体光固化制备及其力学与生物性能

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硅酸盐学报 2021年第9期49卷 1837-1845页

作者：陈芬吴亚茹朱皓吴甲民肖骏史玉升华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点实验室武汉430074 增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心武汉430074 华中科技大学同济医学院同济医院骨科武汉430030

制备了用于立体光固化技术(SL)的ZrO_(2)浆料,采用SL打印制备了ZrO_(2)生物陶瓷,研究了烧结样品的力学性能与生物相容性。经过不同温度烧结后,ZrO_(2)原粉中的m-ZrO_(2)均完成了向t-ZrO_(2)或c-ZrO_(2)的转变。随着烧结温度的提高,陶瓷... 详细信息

制备了用于立体光固化技术(SL)的ZrO_(2)浆料,采用SL打印制备了ZrO_(2)生物陶瓷,研究了烧结样品的力学性能与生物相容性。经过不同温度烧结后,ZrO_(2)原粉中的m-ZrO_(2)均完成了向t-ZrO_(2)或c-ZrO_(2)的转变。随着烧结温度的提高,陶瓷致密化程度提高,气孔数量减少;当烧结温度继续提高时,晶粒尺寸继续增大且大小不均匀。当烧结温度从1450℃升高至1600℃时,ZrO_(2)生物陶瓷的维氏硬度和断裂韧性先增大后减小,且均在1500℃达到最大值,分别为14.87 GPa和6.73 MPa·m^(1/2),此时的线收缩率与相对密度分别为23.42%和97.32%。同时利用大鼠骨髓间充质干细胞(rBMSCs)进行体外细胞实验,证明了SL成形的ZrO_(2)生物陶瓷具有较好的生物相容性,在牙科修复中具有广阔的应用前景。

关键词：增材制造氧化锆立体光固化力学性能生物相容性

激光功率对激光选区烧结制备多孔Si_(3)N_(4)陶瓷性能的影响

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华中科技大学学报（自然科学版） 2022年第12期50卷 22-27页

作者：吴甲民何俊宏吴亚茹程立金史玉升华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点实验室增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心湖北武汉430074 河北工业大学机械工程学院天津300401

针对现有激光选区烧结技术多使用高分子黏结剂,存在素坯易坍塌、烧结时间长等问题,提出使用无机黏结剂,为改善陶瓷坯体烧结质量提供新方法.以Si_(3)N_(4)聚空心微球为原材料,纳米Al N为无机黏结剂,Al_(2)O_(3)和Y_(2)O_(3)为烧结助剂,... 详细信息

针对现有激光选区烧结技术多使用高分子黏结剂,存在素坯易坍塌、烧结时间长等问题,提出使用无机黏结剂,为改善陶瓷坯体烧结质量提供新方法.以Si_(3)N_(4)聚空心微球为原材料,纳米Al N为无机黏结剂,Al_(2)O_(3)和Y_(2)O_(3)为烧结助剂,采用激光选区烧结技术直接成形多孔Si_(3)N_(4)陶瓷,并分析了激光功率对多孔Si_(3)N_(4)陶瓷微观结构及力学性能的影响.结果表明:随着激光功率的增加,陶瓷素坯中Si_(3)N_(4)聚空心微球表面的“绒毛”结构减少;在高温烧结过程中,纳米Al N促进了共晶液相的产生,断裂方式从沿球断裂转变为穿球断裂;Si_(3)N_(4)聚空心球陶瓷的相对密度与抗弯强度随着激光功率的增大呈现先升高再降低的趋势;当激光功率为8 W时,1 800℃烧结后的多孔Si_(3)N_(4)陶瓷获得44.6%的孔隙率及24.6 MPa的抗弯强度;采用激光选区烧结技术为多孔Si_(3)N_(4)陶瓷的激光选区烧结成形及其应用提供了新的思路.

关键词：增材制造激光选区烧结多孔氮化硅陶瓷无机黏结剂力学性能

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陶瓷型芯型壳激光增材制造研究进展

中国激光 2022年第12期49卷 128-145页

作者：孙冬陈双史玉升闫春泽吴甲民文世峰华中科技大学材料科学与工程学院材料成形与模具技术国家重点实验室湖北武汉430074 增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心湖北武汉430074

空心涡轮叶片是燃气轮机热端的关键零部件,其结构十分复杂,制造难度极大。陶瓷型芯型壳是用于涡轮叶片铸造的重要部件,随着燃气轮机的热端工作温度逐渐升高,所需要的叶片结构也更加精细,传统的精密铸造工艺已经无法满足叶片快速升级换... 详细信息

空心涡轮叶片是燃气轮机热端的关键零部件,其结构十分复杂,制造难度极大。陶瓷型芯型壳是用于涡轮叶片铸造的重要部件,随着燃气轮机的热端工作温度逐渐升高,所需要的叶片结构也更加精细,传统的精密铸造工艺已经无法满足叶片快速升级换代的需求。激光增材制造技术无需模具,可以加速新产品的研发,缩短制造周期,满足个性化需求。目前可用于型芯型壳制造的激光增材制造技术主要有激光选区烧结和立体光刻两大类。主要介绍了这两大类激光增材制造技术在陶瓷型芯型壳制备方面的应用,从材料配方、素坯成形、后处理烧结等多个方面综述了当前国内外的最新研究进展,探讨了两类技术各自的优势、目前存在的问题以及未来发展的趋势。

关键词：激光技术增材制造空心涡轮叶片陶瓷型芯型壳激光选区烧结立体光刻

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以氨化碱式氯化锌为前驱体制备花状多孔氧化锌

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硅酸盐通报 2016年第10期35卷 3224-3228,3241页

作者：曹君李晨辉吴甲民柯文明史玉升华中科技大学材料成型与模具技术国家重点实验室武汉430074

用化学沉淀法结合后续的煅烧工艺制备了三维花状多孔氧化锌.用XRD、FE-SEM、TG-DTA和BET对产物进行分析.沉淀法制得的前驱体为花状氨化碱式氯化锌（Zn5（OH）8Cl2·xH20 . yNH3 , 记为ZHC-NH3） ,ZHC-NH3是氨分子插入到碱式氯化锌（Zn5... 详细信息

用化学沉淀法结合后续的煅烧工艺制备了三维花状多孔氧化锌.用XRD、FE-SEM、TG-DTA和BET对产物进行分析.沉淀法制得的前驱体为花状氨化碱式氯化锌（Zn5（OH）8Cl2·xH20 . yNH3 , 记为ZHC-NH3） ,ZHC-NH3是氨分子插入到碱式氯化锌（Zn5（OH）8Cl2.H20 ,记为ZHC）层状结构的层间所得的产物.通过水浴加热可以除去层间氨分子,得到ZH C纯相.ZHC-NH3 前驱体花状结构的直径在80-150μm 之间,是由很多互相穿插的纳米片组成,纳米片的厚度为.100nm,直径为.20μ***-NH3 经过煅烧,释放出H20 、NH3＊ HC1等挥发性气体,得到多孔的氧化锌.这些多孔氧化锌良好继承了 ZHC-NH3 前驱体的花状形貌.本文提出了ZHC-Nh3向ZnO转变的可能的分解机制,也讨论了花状ZHC-NH3 前驱体的合理的生长机理.

关键词：沉淀法氨化碱式氯化锌花状多孔氧化锌