南方科技大學(xué)頂刊綜述：增材制造陶瓷基復(fù)合材料的研究進(jìn)展！
2022-08-15 15:52:47
作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng)
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導(dǎo)讀：與單相陶瓷組件相比，陶瓷基復(fù)合材料(CMC)的增材制造(AM)能夠生產(chǎn)高度定制、幾何復(fù)雜和功能化的部件，其性能和功能得到顯著改善。這也為受天然材料啟發(fā)的共連續(xù)相增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料的耐損傷成形開辟了一條新途徑。目前，多種增材制造技術(shù)已成功地應(yīng)用于陶瓷基復(fù)合材料CMC的制備，但其性能也不盡相同。本文通過對各種AM技術(shù)的性能和局限性的系統(tǒng)評價，對陶瓷基復(fù)合材料的AM技術(shù)進(jìn)行了全面的綜述，重點(diǎn)介紹了AM技術(shù)制備的陶瓷基復(fù)合材料的性能和潛力。
增材制造 (AM) 或 3D 打印是一種基于 CAD 模型通過逐層添加材料制造組件的新型制造方法，它在陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料組件的制造中提供了許多好處，總結(jié)如下：(1) 幾何復(fù)雜性和定制生產(chǎn)。AM 打破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)則，提供了更高的設(shè)計(jì)自由度。工程師提高了零件的設(shè)計(jì)靈活性，并進(jìn)行了創(chuàng)新且可能更有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)無法通過減材或成型制造方法制造。傳統(tǒng)上，陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料的形狀通常取決于模具或纖維預(yù)制件前體的尺寸和形狀。陶瓷工程師可以基于免工具增材制造工藝設(shè)計(jì)高度復(fù)雜形狀或定制的陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品。(2) 快速原型和更低的成本。傳統(tǒng)上，在小批量生產(chǎn)中創(chuàng)建的高度定制的零件通常需要較長的加工時間。AM 克服了這些限制，因此公司可以縮短交付時間和成本。因此，設(shè)計(jì)人員可以提供多個設(shè)計(jì)迭代，以快速響應(yīng)時間進(jìn)行制造。 (3) 可定制的成分和性能。AM能夠一次生產(chǎn)功能梯度材料（FGMs）和低溫共燒陶瓷（LTCC）等多材料零件，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能的結(jié)合，節(jié)省時間，減少零件數(shù)量，和更低的制造成本。 (4) 共連續(xù)相增強(qiáng)復(fù)合材料。傳統(tǒng)的陶瓷復(fù)合材料通常由離散增強(qiáng)材料（如短切纖維、晶須和納米顆粒）增強(qiáng)，或基于 2D 編織織物或 3D 編織預(yù)制件。AM 提供了制造具有明確結(jié)構(gòu)的共連續(xù)相增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料的機(jī)會；問題是是否有可能使這種復(fù)合材料的性能至少與傳統(tǒng)成型所獲得的性能一樣好，甚至更好。
在此，南方科技大學(xué)聯(lián)合伯明翰大學(xué)、武漢理工大學(xué)科研人員概述了主流的陶瓷增材制造技術(shù)和工藝機(jī)制。此外，還詳細(xì)介紹了陶瓷基復(fù)合材料增材制造的最新進(jìn)展，包括離散相增強(qiáng)復(fù)合材料和自然靈感復(fù)合材料。最后，討論了當(dāng)前應(yīng)用的結(jié)論以及關(guān)鍵挑戰(zhàn)。總結(jié)如下：
CMC 的增材制造仍處于起步階段，仍然存在許多挑戰(zhàn)和問題阻礙其工業(yè)應(yīng)用。
首先，所得復(fù)合材料的機(jī)械可靠性受到零件制造和后續(xù)燒結(jié)過程中可能引入的一系列關(guān)鍵缺陷的極大限制，這些缺陷包括殘余孔隙率、裂紋、界面結(jié)合不良和（非連續(xù)）增強(qiáng)不均勻性。至關(guān)重要的是，如何精確控制這些缺陷，以便可以重復(fù)的獲得 CMC。
其次，當(dāng)需要連續(xù)纖維增強(qiáng)時，將其與增材制造相結(jié)合是目前研究人員面臨的最大挑戰(zhàn)之一。由于連續(xù)纖維增強(qiáng)的 CMC 的機(jī)械性能比填料增強(qiáng)的 CMC 好得多，因此迫切需要開發(fā)一種允許這種方法或與其他技術(shù)結(jié)合的新 AM 方法。
第三，制造具有所需性能的大型CMC零件的能力仍未得到證實(shí)；這主要受到現(xiàn)有增材制造技術(shù)的構(gòu)建體積和打印分辨率的限制。粘合劑噴射和 DIW 在大型零件中顯示出潛在的優(yōu)勢，但制造零件的相對密度需要大幅提高。
第四，CMC 的許多應(yīng)用需要極高的尺寸精度，然而，現(xiàn)有 AM 技術(shù)的打印分辨率對打印精度和可實(shí)現(xiàn)的表面光潔度都有限制。由于干燥、脫脂和燒結(jié)等后處理步驟，AM 加工的 CMC 零件通常具有較差的尺寸公差。例如，由 SLA 制成的燒結(jié) CMC 零件通常會發(fā)生較大的收縮，這會導(dǎo)致尺寸精度不受控制。此外，在 SLA 過程中由增強(qiáng)材料引起的光散射會影響打印精度和表面粗糙度。
最后，制成的仿生陶瓷/聚合物復(fù)合材料不具備陶瓷材料對極端環(huán)境的固有抵抗力，因此探索陶瓷/金屬和陶瓷/陶瓷復(fù)合材料至關(guān)重要。希望這些挑戰(zhàn)都能在不久的將來得到解決，從而實(shí)現(xiàn)對 CMC 的 AM 加工的工業(yè)應(yīng)用。
相關(guān)研究成果以題“A review on additive manufacturing of ceramic matrix composites”發(fā)表在知名期刊Journal of Materials Science & Technology上。
鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030222005886
陶瓷基復(fù)合材料(CMCs)是由纖維、晶須、碳納米管(CNTs)、石墨烯、顆粒和陶瓷基體中的第二聚合物或金屬相等一種或多種增強(qiáng)材料組成。這種復(fù)合材料通常具有優(yōu)異的強(qiáng)度和耐磨性，良好的斷裂韌性，高溫穩(wěn)定性，以及優(yōu)異的抗熱震性能和功能性。這些顯著的機(jī)械和物理性能使得這類材料在航空航天和國防、汽車、能源和電力、電子和電氣、化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程等行業(yè)的應(yīng)用非常需要。這些應(yīng)用正在推動陶瓷基復(fù)合材料市場的發(fā)展。如圖1所示，預(yù)計(jì)到2026年，CMC全球市場規(guī)模將從2018年的81億美元增長到207億美元，近年來年均增長率超過19%。航空航天是最大的應(yīng)用領(lǐng)域，2018年占總市場份額的36.32%。
圖1 2018-2026 年全球陶瓷基體市場規(guī)模和 2018 年按最終用途行業(yè)分列的市場份額。
自其發(fā)明以來，增材制造已被用于制造聚合物、金屬、陶瓷、復(fù)合材料和其他材料。相對于聚合物和金屬，3D打印在陶瓷和陶瓷基復(fù)合材料生產(chǎn)上的應(yīng)用還處于初級階段。按照AM的技術(shù)路線圖，如圖2所示，AM技術(shù)可以被描述為立體光刻(SLA)，選擇性激光燒結(jié)(SLS)，層壓物體制造(LOM)，噴墨打印(IJP)，粘合劑噴射(BJ)，激光工程網(wǎng)成形(LENS)，直接墨水書寫(DIW)，以及混合增材制造(H-AM)。近年來，所有AM技術(shù)都進(jìn)行了全面的綜述，重點(diǎn)介紹了所使用的材料、工藝參數(shù)、機(jī)理和應(yīng)用。鑒于此，本綜述對陶瓷增材制造技術(shù)進(jìn)行了非常簡化的介紹。
圖2 陶瓷增材制造技術(shù)路線圖。
每一種AM技術(shù)都為制備陶瓷基復(fù)合材料提供了機(jī)會。然而，沒有一個“最好的整體”陶瓷AM技術(shù)，是最合適用來創(chuàng)建一個特定的陶瓷復(fù)合材料。因此，建議在選擇陶瓷基復(fù)合材料和最終用途的AM工藝時，應(yīng)根據(jù)其顯著的優(yōu)勢和局限性，以及諸如構(gòu)建體積和分辨率等問題，仔細(xì)考慮。總的來說，構(gòu)建量與分辨率之間的矛盾關(guān)系如圖3所示。這意味著要制造更高分辨率的零件，需要將構(gòu)建體積縮小到更小的體積。SLM和LENS不涉及耗時的熱處理，但極端的溫度梯度阻止了高密度零件的制造。其他3D打印方法，如DIW, IJP和BJ，允許最廣泛的可打印材料選擇。因此，對于特定的陶瓷材料和應(yīng)用，最佳AM候選的選擇應(yīng)該基于對所有AM技術(shù)的全面調(diào)查。
圖3 不同增材制造技術(shù)的打印分辨率和構(gòu)建體積的比較。
圖4 顆粒增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料示例：(a) SLA 生產(chǎn)的 ZTA 零件和在微觀結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的裂紋偏轉(zhuǎn)；(b) LENS 生產(chǎn)的 ZTA 零件；(c) LENS 生產(chǎn)的 ATZ 零件；(d) SLS 生產(chǎn)的 SiOC/Al2O3 渦輪葉輪。
圖5 晶須增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料示例：(a) SLA 生產(chǎn)的 SiCw/SiOC 部件；(b) DIW 生產(chǎn)的 SiCw 增強(qiáng)復(fù)合材料；(c) 由 BJ 制成的 SiCw/SiC 復(fù)合材料和 (d) 晶須拉出和橋接、裂紋偏轉(zhuǎn)和分支的微觀結(jié)構(gòu)。
圖6 SLS 生產(chǎn)的 CNT 涂層 PA11/BaTiO3 納米復(fù)合粉末。(a) 制備復(fù)合粉末的程序示意圖；(b) 復(fù)合材料的介電常數(shù)和損耗。
圖7 石墨烯增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料的演示：(a) G/SiC 復(fù)合材料的 DIW 和 CVI 示意圖；(b) 復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
圖8 通過 SLA 演示短切碳纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料。(a) 制造過程示意圖；(b) 碳纖維預(yù)制件；(c) 燒結(jié) Cf/SiC 組件。
圖9 使用 DIW 制造的短切纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料的演示。(a) DIW 過程；(b) 使用 DIW 制成的碳纖維預(yù)制件；(c) 彎曲試驗(yàn)后復(fù)合材料的典型裂紋擴(kuò)展行為和斷口。
圖10 連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料增材制造演示：（a）LOM 生產(chǎn)的 SiCf/SiC 部件；(b) DIW 生產(chǎn)的 Cf/SiOC 部件；(c) 由 DIW 制成的 SiO2f/磷酸鹽復(fù)合材料。
圖11 增材制造的自然靈感陶瓷基復(fù)合材料。(a) SLA 和聚合物涂層生產(chǎn)的陶瓷基復(fù)合材料的機(jī)械壓縮行為；(b) 氧化鋁基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和抗裂性曲線，插圖顯示分層和裂紋偏轉(zhuǎn)的 SEM 圖像。
圖12 增材制造陶瓷基復(fù)合材料最終使用部件的演示。(a) 用于牙齒修復(fù)的氧化鋯/樹脂復(fù)合材料；(b) 用于渦輪噴嘴段的 SiCf/SiC 復(fù)合材料。
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標(biāo)簽： 增材制造, 南方科技大學(xué), 復(fù)合材料
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