关键词：
微喷射3D打印
陶瓷材料
粘结剂
多孔结构
烧结
摘要：
微喷射3D打印是一种精确喷射液体粘结剂粘结粉末实现完整成形体构建的快速成形技术,在原理上融合了印刷技术、粉末沉积、动态粘结剂与粉末相互作用和后处理等相关技术。微喷射3D打印可以克服传统陶瓷制备工艺中出现的复杂形状陶瓷件制备困难、烧结收缩率大等问题,使复杂陶瓷件的快速制造成为可能。然而,设备的开发、粘结剂的调控、后处理方法的选择和最大限度地提高成形件的性能仍然是一项挑战。本文首先介绍了微喷射3D打印制备多孔陶瓷材料的原理、步骤和应用。然后,对微喷射3D打印制备多孔陶瓷材料的四个关键因素（粉末选择、工艺参数、粘合剂和后处理工艺）进行了研究。分析和讨论了和粉末选择（粉末组分设计）,工艺参数（粒径分布、分层厚度、粘结剂饱和度）,粘结剂选择（结合方式、水滴形成机理、水滴渗透动力学）和后处理工艺（固化和烧结过程）对多孔陶瓷件致密度、粗糙度、强度、精度的影响。最后,在上述基础之上详细分析了微喷射3D打印工艺参数对粉末粘结微观机理的影响,并给出了原材料处理方法和各种工艺参数,达到了预期的效果。具体研究工作如下:在微喷射3D打印工艺参数对多孔陶瓷材料精度和强度影响方面,提出了采用新型改性硅酸盐为粘结剂,研究粉末粒径分布、分层厚度和粘结剂饱和度对微喷射3D打印多孔陶瓷材料性能的影响。该粘结剂的主要成分为水玻璃、丙烯酸丁酯、聚丙烯酰胺和硅烷偶联剂,分析了粘结剂的组成对其粘结强度和粘度的影响。当硅烷偶联剂的浓度为0.6 wt.%时,5 wt.%改性硅酸盐粘结剂具有最佳的打印效果。还进一步分析了粉末粒径分布、分层厚度和粘结剂饱和度对多孔陶瓷件相对密度、表面粗糙度、线收缩率和弯曲强度的影响。结果发现:粗粉和细粉的混合组成有利于提高粉末堆积密度。分层厚度为0.10 mm、粘结剂饱和度为100%的陶瓷坯体获得了最佳的顶面和侧面粗糙度值,分别为27.1±1.2μm和35.0±2.0μm,以及最大的相对密度值40.1%。在应用微喷射3D打印工艺制备氧化铝陶瓷型芯,关于粘结剂的选择和后处理工艺的问题上,提出了一种新型可分解的无机粘结剂,可分解物为碱式碳酸锆（ZrOCO3·n H2O,ZBC）。固化后,受热分解形成无残留的微米级氧化锆颗粒,沉积在氧化铝陶瓷粉末孔隙之间。通过调节ZBC颗粒含量和烧结温度,改善细长氧化铝陶瓷芯的致密度和力学性能。研究了ZBC的含量对粘结剂可打印性和陶瓷型芯性能的影响。结果表明:随着ZBC含量的增加,粘结剂的表面张力降低,说明ZBC颗粒的加入扰乱了水分子间的相互作用。ZBC分解生成的ZrO2颗粒对细长氧化铝陶瓷型芯的微观组织和力学性能有显著影响。当ZBC含量由0增加到35 wt.%时,烧结密度提高了约44%,抗弯强度由60 MPa提高到79 MPa,1500°C烧结后线状收缩率由20%降低到13%。微米级的ZrO2颗粒既可以沉积在Al2O3颗粒之间,又可以在烧结过程中有效抑制Al2O3晶粒的生长,从而使得微观组织形貌更加均匀平整。针对应用微喷射3D打印工艺制备多孔陶瓷件,粘结剂选择上的问题,将酚醛树脂、聚合物、无机盐和陶瓷颗粒悬浮液（ZBC）粘结剂的粘度和表面张力进行了对比。研究表明,酚醛树脂不适合用于陶瓷粉末的打印,无机盐粘结剂需加入特殊添加剂改善其可打印性。与PVP粘结剂相比,ZBC无机粘结剂在打印过程中不产生断线,增加了各层粉体的附着力,打印效果更好,且ZBC无机粘结剂的致密性对烧结温度的依赖性较小。ZBC无机粘结剂制备的坯体比PVP粘结剂制备的坯体具有更平整均匀的表面质量和更大的结合强度。PVP粘结剂制备的坯体孔隙由于粉末堆积不均匀和部分粉末未完全浸透以大孔隙为主;而ZBC无机粘结剂制备的坯体孔隙由于固有的颗粒间距以小孔隙为主。在相同烧结温度和粘结剂饱和度的情况下,ZBC无机粘结剂打印后最终成形件的抗弯强度高于PVP粘结剂,且线收缩率更低。在应用微喷射3D打印工艺制备多孔陶瓷结构过程中,关于复合粉末的成分不同引发多孔陶瓷结构稳定性和力学性能差异的问题,提出了将nano-HA颗粒填充于YSZ陶瓷粉末中。研究了nano-HA的含量对YSZ/nHA多孔结构的孔隙形成、表面质量、相稳定性、微观组织和力学性能的影响。结果表明:随着nano-HA从0增加至25 wt.%,YSZ/nHA多孔结构坯体的顶面、侧面和底面粗糙度均降低,其相对密度从39.3%增加到48.8%。1450°C烧结后,微喷射3D打印制备的YSZ/nHA多孔结构表现出收缩率（18.1%～11.5%）和吸水率（4.4%～2.3%）降低,抗压强度提高（30.9 MPa～41.2 MPa）的现象。但当nano-HA添加量增加到25 wt.%时,因nano-HA与氧化锆的反应削弱了YSZ/nHA多孔结构的整体强度增强,抗压强度开始下降。YSZ/nHA多孔结构烧结后的物相也呈现新的微观
