耐1400度高溫的超強3D打印陶瓷

寂靜天花板

日前，HRL Laboratories開發出一種新技術，使用這種技術3D打印的超強陶瓷材料能夠承受超過1400攝氏度高溫。該公司認為該技術將很快用于航空航天公司。

    3D打印陶瓷已經出現了一段時間了，像Vormvrij 3D和Deltabots這樣的公司都開發了自己的陶瓷3D打印機和3D打印陶瓷產品。但是，當前的許多陶瓷3D打印機使用的都是相當簡單的FDM工藝。而HRL Laboratories使用的是更為精確的光固化快速成形技術，從而能夠制作出非常精細、高強度、 耐高溫的3D打印陶瓷對象。 我們有一種陶瓷前驅體（pre-ceramic）樹脂，可以像聚合物那樣打印，然后在過火后會轉化為一種陶瓷。”HRL資深科學家Tobias Schaedler說：“盡管會有一些收縮的現象，但是這是非常均勻的，所以可以預測。”

通過開發這種名為“陶瓷前驅體聚合物”的可3D打印樹脂，HRL似乎找到了一種可以避開與陶瓷3D打印相關常見陷阱的方法。此前一般的3D打印陶瓷技術由于打印出來的對象往往會出現裂縫和斷裂，因此無法制造特別復雜的零件。而且大多數陶瓷3D打印機使用的往往是熔點比較低的“氧化物陶瓷材料”。而現在，得益于使用了精密的光固化快速成形工藝，HRL可以3D打印出致密而耐用、耐高溫的陶瓷部件。

“我們發明了一種可兼容與光固化/3D打印的樹脂配方，這種樹脂在3D打印后經過過火可以生成致密的陶瓷部件。”HRL公司的一名工程師Zak Eckel解釋說：“這是一個驚人的突破，因為它使我們能夠制造出任意形狀的陶瓷部件，這種部件強度非常高，而且能抗高溫。通過這種技術，我們就能夠充分利用3D打印帶來的好處，使用一種非常有用的工程材料創造出復雜的3D部件。”
2 W. u: v3 x4 ^使用HRL公司售價3000美元的陶瓷3D打印機打印出來的東西根本不像陶瓷3D打印件，反而更類似于塑料零件。他們使用的特殊樹脂中包含所有你需要的可以形成堅韌陶瓷的分子。這些樹脂層經過了一種UV光的仔細蝕刻，然后將單體融合成聚合物。隨后這種塑料狀的打印件被放在一個有1000攝氏度高溫、充斥著氬氣的烤箱中，其中多余的化學基團被移除，留下了強大的陶瓷結構。

研究人員利用電子顯微鏡對最終產品進行了分析，在其表面沒有檢測到孔隙和裂紋。進一步的測試發現該陶瓷材料可承受高達1400攝氏度的高溫而不會開裂和收縮。

HRL公司宣稱他們制造出了可能全球首個3D打印的碳化硅陶瓷，而且團隊認為還可以通過對陶瓷塑料樹脂成份進行適當調整打印出更多種類的陶瓷。該公司認為其抗開裂、抗高溫的陶瓷可以成為一種能夠用于眾多高溫應用的理想材料，比如在高超聲速飛行器和噴氣發動機中使用。這種技術可以幫助設計者制造出很多專門的小零件，這種部件可以抵抗飛行器在起飛和飛行階段排出的高溫氣體。

“如果在大氣之中以10倍的音速飛馳，由于空氣的摩擦，任何交通工具表面都會變得非常熾熱。”Schaedler說：“人們如果想要制造高超聲速飛行器就需要用陶瓷制造整個外殼。”

借助這種新技術，HRL的實驗室研究人員可以3D打印兩類有用陶瓷——一種是大的，但是具有非常輕量級的晶格結構，可以用于制作飛機和航天器的耐熱板及其他外部部件；另外一種是小的、但是很復雜的零件，可以用于制作機電系統或噴氣式發動機和火箭的組件。

Schaedler稱他們的研究團隊已經得到了美國國防部先進研究項目局（DARPA）的資助。“該方法使我們能夠進一步接近將一些對立屬性集中在一種材料上的目標，比如那種高強度、低密度或者低質量的材料，并將其打造成復雜的形狀。”DARPA國防科學辦公室主任Stefanie Tompkins說。

據了解，一旦進一步的測試完成，那些正在尋找小型、耐高溫部件的火箭和衛星設計師可能會很快轉向HRL的陶瓷3D打印工藝。《Science Magazine》上的一篇論文詳細地介紹了該公司的研究成果。

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大陸架

屬于3D打印材料的革命性變革。目前，3D打印行業里，打印材料成為各個公司發展的瓶頸。尤其是國內的3D打印行業，打印材料基本依賴進口。