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增材制造钛酸钡压电陶瓷的高温烧结与极化工艺研究

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硅酸盐通报 2024年第5期43卷 1772-1783页

作者：刘凯鲁超贺俊超李天杨沈春华闫春泽史玉升孙华君武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室武汉430070 武汉理工大学材料科学与工程学院武汉430070 武汉理工大学材料分析与测试中心武汉430070 华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室武汉430074

为提高增材制造BaTiO_(3)压电陶瓷的综合性能,本文研究了BaTiO_(3)压电陶瓷的浆料剪切变稀特性及数字光处理(DLP)成型特性,揭示了DLP成型BaTiO_(3)压电陶瓷坯体在不同烧结温度条件下的致密化机制,探索了极化方向对DLP成型BaTiO_(3)陶瓷... 详细信息

为提高增材制造BaTiO_(3)压电陶瓷的综合性能,本文研究了BaTiO_(3)压电陶瓷的浆料剪切变稀特性及数字光处理(DLP)成型特性,揭示了DLP成型BaTiO_(3)压电陶瓷坯体在不同烧结温度条件下的致密化机制,探索了极化方向对DLP成型BaTiO_(3)陶瓷压电性能的影响规律。结果表明,调节高温烧结与极化工艺,可以在一定程度上改善DLP增材制造BaTiO_(3)压电陶瓷的电学性能。当烧结温度为1420℃、保温时间为2 h时,压电系数d_(33)最大,为163.4 pC/N,样品层间结合紧密,晶粒尺寸均匀。当Z轴与极化方向夹角由0°变为90°时,相对介电常数εr和d_(33)分别提高了29.37%和27.01%。当固含量为80%(质量分数)、烧结温度为1420℃、Z轴与极化方向夹角为90°时,样品d_(33)最大,达到182.4 pC/N。

关键词：压电陶瓷钛酸钡增材制造数字光处理烧结极化

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梯度极小曲面点阵结构力学特性研究

华中科技大学学报（自然科学版） 2022年第12期50卷 64-69页

作者：杨磊郑浩张聪闫春泽武汉理工大学交通与物流学院湖北武汉430063 华中科技大学材料科学与工程学院湖北武汉430074

基于螺旋(Gyroid)型极小曲面点阵结构,设计包括两种线性渐变和两种矩阵渐变的四种梯度结构,通过实验及有限元分析方法分析了梯度设计对Gyroid型极小曲面点阵结构力学特性的影响.结果表明:通过激光选区熔化制备的样品致密度均在98%以上,... 详细信息

基于螺旋(Gyroid)型极小曲面点阵结构,设计包括两种线性渐变和两种矩阵渐变的四种梯度结构,通过实验及有限元分析方法分析了梯度设计对Gyroid型极小曲面点阵结构力学特性的影响.结果表明:通过激光选区熔化制备的样品致密度均在98%以上,具有极高的制备精度和可重复性;压缩实验表明四种梯度结构的变形过程一致,均是结构整体坍塌;与均匀结构对比,梯度结构的弹性模量提高了10%,10%-20%-10%梯度设计结构的累计能量吸收值最大.此外,对结构进行了有限元仿真,结果表明压缩过程中应力集中发生在转角处.

关键词：点阵结构梯度设计力学特性有限元矩阵渐变线性渐变

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柔性磁电材料体系及其增材制造研究进展

机械工程学报 2023年第18期59卷 130-143页

作者：苏彬闫春泽史玉升华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室武汉430074

柔性磁电材料,是将低弹性模量的磁性物质和导电物质分散在柔性介质中的一类复合材料。柔性磁电材料体系着重于“磁性材料”与“导电材料”的协同作用。在外力作用下,体系内“磁性部分”与“导电部分”之间相互作用发生改变,从而获得力-... 详细信息

柔性磁电材料,是将低弹性模量的磁性物质和导电物质分散在柔性介质中的一类复合材料。柔性磁电材料体系着重于“磁性材料”与“导电材料”的协同作用。在外力作用下,体系内“磁性部分”与“导电部分”之间相互作用发生改变,从而获得力-电的转换性能。综述目前柔性磁电材料体系的研究进展;归纳三种柔性磁电材料体系的工作方式,即外力作用下柔性磁部分发生形变、柔性导电部分发生形变以及柔性磁部分与柔性导电部分之间的作用距离改变;介绍基于粉材、丝材以及光固化增材制造技术成形的柔性磁电材料体系,总结其在自供能感知与能源俘获领域的应用,最后探讨柔性磁电材料体系目前存在的问题及发展趋势。通过对新型柔性磁电材料的设计与制造进行阶段性总结,为其后续在人机交互、柔性传感及医疗康复领域的应用奠定了基础。

关键词：柔性磁电增材制造自供能感知能源俘获

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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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激光增材制造连续碳纤维增强复合材料

机械工程学报 2023年第19期59卷 411-428页

作者：杨磊周磊林宇东欧阳震闫春泽史玉升华中科技大学材料科学与工程学院武汉430070 武汉理工大学交通与物流工程学院武汉430063

碳纤维增强复合材料由于其比重小以及良好的力学和化学性能,广泛应用于航空航天、轨道交通和新能源汽车等领域。连续纤维增强复合材料与短纤维相比具有更好的性能,而增材制造的发展为该材料复杂构件的设计与成形提供了有效途径。重点论... 详细信息

碳纤维增强复合材料由于其比重小以及良好的力学和化学性能,广泛应用于航空航天、轨道交通和新能源汽车等领域。连续纤维增强复合材料与短纤维相比具有更好的性能,而增材制造的发展为该材料复杂构件的设计与成形提供了有效途径。重点论述了四种激光增材制造连续碳纤维增强复合材料的工艺方法,包括激光辅助自动铺带(Laser-assisted automated tape placement,L-ATP)、激光辅助分层实体制造(Laser-assisted laminated object manufacturing,L-LOM)、激光辅助熔融沉积成型(Laser-assisted fused deposition manufacturing,L-FDM)和机器人激光增材制造(Robot-based laser additive manufacturing,R-LAM),详细论述了激光增材制造连续碳纤维增强复合材料的原料设计与制备、成形原理与装备和工艺特点,并对比讨论四种激光增材制造连续碳纤维增强复合材料工艺方法的应用范围和优缺点,展望碳纤维复合材料增材制造未来发展趋势。

关键词：连续碳纤维复合材料激光增材制造机器人激光增材制造

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增材制造智能材料研究现状及展望

材料工程 2022年第6期50卷 12-26页

作者：耿鹏陈道兵周燕文世峰闫春泽史玉升华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室武汉430074 中国地质大学(武汉)工程学院武汉430074

增材制造技术自问世以来成为拓展多学科发展、实现多学科研究融合以及联结材料与产品的关键性技术,该技术颠覆了传统加工设计和制造理念,同时也是实现智能制造的重要方法。智能材料是对环境具有感知、可响应、自修复和自适应的一类材料... 详细信息

增材制造技术自问世以来成为拓展多学科发展、实现多学科研究融合以及联结材料与产品的关键性技术,该技术颠覆了传统加工设计和制造理念,同时也是实现智能制造的重要方法。智能材料是对环境具有感知、可响应、自修复和自适应的一类材料。将智能材料与增材制造技术有机结合,可实现具有感受外部刺激或环境激活的三维智能器件的一体化制造。智能材料增材制造技术被广泛应用于个性化医疗、柔性电子和软体机器人等领域。本文对增材制造中所涉及的智能材料进行综述,介绍通过增材制造方法对金属类、高分子类和陶瓷类智能材料所带来的优势及面临的问题。增材制造技术作为实现设计、材料和结构有机融合的有效手段,将成为推动智能材料发展的关键。

关键词：增材制造智能材料 4D打印智能器件

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SiC陶瓷增材制造技术的研究及应用进展

科学通报 2022年第11期67卷 1137-1154页

作者：王长顺吴思琪闫春泽史玉升邬国平韩潇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 宁波伏尔肯科技股份有限公司宁波315104 北京空间机电研究所北京100094

碳化硅(SiC)陶瓷材料具备优异的力学、热学、光学性能,在国防工业和国民生产中应用广泛.然而,传统陶瓷成形工艺在制备复杂SiC构件时面临周期长、成本高、复杂结构成形难等问题.增材制造(additive manufacturing)理论上可成形任意复杂结... 详细信息

碳化硅(SiC)陶瓷材料具备优异的力学、热学、光学性能,在国防工业和国民生产中应用广泛.然而,传统陶瓷成形工艺在制备复杂SiC构件时面临周期长、成本高、复杂结构成形难等问题.增材制造(additive manufacturing)理论上可成形任意复杂结构,为复杂陶瓷构件的制备提供了有效手段,目前SiC陶瓷增材制造已成为本领域近年来的研究热点.本文针对SiC陶瓷增材制造的研究及应用进展进行了系统总结,详细论述SiC增材制造的原料设计与制备方法、工艺与装备、后处理技术、模拟仿真、性能评测及典型应用等内容,并对SiC陶瓷增材制造技术的未来发展进行了展望.

关键词：增材制造碳化硅复杂构件有限元模拟

浆料固相含量对数字光处理成形SiO2基陶瓷性能的影响

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机械工程学报 2023年第1期59卷 259-266页

作者：于康博吴甲民郑雯陈双张洁刘珩文世峰闫春泽史玉升华中科技大学材料科学与工程学院武汉430074 华中科技大学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

随着国内外航空航天事业的快速发展,硅基陶瓷型芯在制备发动机涡轮叶片中起到越来越重要的作用。本工作以氧化硅(SiO2)粉末和硅酸锆(ZrSiO4)粉末为原材料,通过数字光处理技术(Digital light processing,DLP)制备SiO2基陶瓷,主要研究了... 详细信息

随着国内外航空航天事业的快速发展,硅基陶瓷型芯在制备发动机涡轮叶片中起到越来越重要的作用。本工作以氧化硅(SiO2)粉末和硅酸锆(ZrSiO4)粉末为原材料,通过数字光处理技术(Digital light processing,DLP)制备SiO2基陶瓷,主要研究了陶瓷浆料固相含量对DLP成形SiO2基陶瓷微观组织和性能的影响。随着陶瓷浆料固相含量(体积分数)从50%增加到65%,SiO2基陶瓷中由石英玻璃转变形成的方石英含量逐渐下降,烧结件的晶粒孔隙逐渐减少。DLP成形SiO2基陶瓷的径向收缩率由4.65%下降至1.61%,轴向收缩率由8.35%下降至4.17%;而SiO2基陶瓷的体积密度逐渐提高,气孔率逐渐减小,抗弯强度逐渐上升。最终确定陶瓷浆料的最佳固相含量为65%,此时SiO2基陶瓷的气孔率为25.4%,室温抗弯强度为9.3 MPa,满足硅基陶瓷型芯的性能要求。

关键词：氧化硅陶瓷型芯数字光处理固相含量抗弯强度

4D打印热塑性聚氨酯/钕铁硼磁性复合材料成形工艺与性能研究

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机械工程学报 2020年第15期56卷 80-89页

作者：张策伍宏志闫春泽华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室武汉430074

传统的3D打印技术逐渐无法满足高端制造领域对构件的要求,材料-结构-功能一体化增材制造即4D打印技术将是新的发展方向。为此,选取热塑性聚氨酯(TPU)/钕铁硼(NdFeB)磁性复合材料体系,采用激光选区烧结(Selective laser sintering,SLS)... 详细信息

传统的3D打印技术逐渐无法满足高端制造领域对构件的要求,材料-结构-功能一体化增材制造即4D打印技术将是新的发展方向。为此,选取热塑性聚氨酯(TPU)/钕铁硼(NdFeB)磁性复合材料体系,采用激光选区烧结(Selective laser sintering,SLS)工艺成形具有不同Nd FeB含量的复合材料成形件,研究了复合粉末的粒度及其分布、微观形貌、成形前后化学基团演变,成形件晶体结构、力学性能及变形行为,结果表明Nd Fe B含量会影响复合材料成形件的力学性能和变形行为,增加Nd Fe B含量能够增大成形件在磁场中受到的作用力;当Nd Fe B含量在复合材料中质量分数为30%时,复合材料成形件拥有最佳的拉伸强度。本研究将TPU/NdFeB复合材料体系作为一种创新的4D打印材料,成形的磁性智能构件在磁场中发生变形,实现了磁场驱动的4D打印,对4D打印磁性智能构件的发展具有指导意义。

关键词： 4D打印激光选区烧结磁性材料聚合物复合材料