Terobosan serbuk alumina dalam bahan cetakan 3D
Berjalan ke makmal Universiti Politeknik Barat Laut, pengawetan cahayapencetak 3D berdengung sedikit, dan pancaran laser bergerak tepat dalam buburan seramik. Hanya beberapa jam kemudian, teras seramik dengan struktur kompleks seperti labirin dipersembahkan sepenuhnya - ia akan digunakan untuk membuang bilah turbin enjin pesawat. Profesor Su Haijun, yang bertanggungjawab ke atas projek itu, menunjuk kepada komponen halus itu dan berkata: "Tiga tahun lalu, kami tidak berani memikirkan ketepatan seperti itu. Kejayaan utama tersembunyi dalam serbuk alumina yang tidak mencolok ini."
Suatu ketika dahulu, seramik alumina seperti "pelajar bermasalah" dalam bidangPercetakan 3D– kekuatan tinggi, rintangan suhu tinggi, penebat yang baik, tetapi apabila ia dicetak, ia mempunyai banyak masalah. Di bawah proses tradisional, serbuk alumina mempunyai kecairan yang lemah dan sering menghalang kepala cetakan; kadar pengecutan semasa pensinteran boleh setinggi 15%-20%, dan bahagian yang dicetak dengan usaha yang besar akan berubah bentuk dan retak sebaik sahaja ia dibakar; struktur kompleks? Ia lebih mewah. Jurutera berasa bimbang: "Perkara ini seperti seorang artis yang degil, dengan idea liar tetapi tidak cukup tangan."
1. Formula Rusia: Meletakkan "perisai seramik" padaaluminiummatriks
Titik perubahan pertama datang dari revolusi dalam reka bentuk bahan. Pada tahun 2020, saintis material dari Universiti Sains dan Teknologi Kebangsaan (NUST MISIS) Rusia mengumumkan teknologi yang mengganggu. Daripada hanya mencampurkan serbuk aluminium oksida, mereka meletakkan serbuk aluminium ketulenan tinggi ke dalam autoklaf dan menggunakan pengoksidaan hidroterma untuk "menumbuhkan" lapisan filem aluminium oksida dengan ketebalan yang boleh dikawal dengan tepat pada permukaan setiap zarah aluminium, sama seperti meletakkan lapisan perisai peringkat nano pada bola aluminium. Serbuk "struktur cangkang teras" ini menunjukkan prestasi yang menakjubkan semasa pencetakan laser 3D (teknologi SLM): kekerasan adalah 40% lebih tinggi daripada bahan aluminium tulen, dan kestabilan suhu tinggi dipertingkatkan, secara langsung memenuhi keperluan gred penerbangan.
Profesor Alexander Gromov, ketua projek, membuat analogi yang jelas: "Pada masa lalu, bahan komposit adalah seperti salad - masing-masing bertanggungjawab ke atas perniagaannya sendiri; serbuk kami seperti sandwic - aluminium dan alumina menggigit satu sama lain lapisan demi lapisan, dan tidak boleh melakukannya tanpa yang lain." Gandingan yang kuat ini membolehkan bahan itu menunjukkan kehebatannya dalam bahagian enjin pesawat dan rangka badan ultra-ringan, malah mula mencabar wilayah aloi titanium.
2. Kebijaksanaan Cina: keajaiban "menetapkan" seramik
Titik kesakitan terbesar percetakan seramik alumina ialah pengecutan pensinteran – bayangkan anda menguli dengan teliti bentuk tanah liat, dan ia mengecut kepada saiz kentang sebaik sahaja ia memasuki ketuhar. Berapa banyak ia akan runtuh? Pada awal tahun 2024, hasil yang diterbitkan oleh pasukan Profesor Su Haijun di Universiti Politeknik Barat Laut dalam Jurnal Sains & Teknologi Bahan mencetuskan industri: mereka mendapat teras seramik alumina pengecutan hampir sifar dengan kadar pengecutan hanya 0.3%.
Rahsianya adalah untuk menambahserbuk aluminiumkepada alumina dan kemudian memainkan "sihir suasana" yang tepat.
Tambah serbuk aluminium: Campurkan 15% serbuk aluminium halus ke dalam buburan seramik
Kawal atmosfera: Gunakan perlindungan gas argon pada permulaan pensinteran untuk mengelakkan serbuk aluminium daripada teroksida
Pensuisan pintar: Apabila suhu meningkat kepada 1400°C, tiba-tiba tukar atmosfera kepada udara
Pengoksidaan in-situ: Serbuk aluminium serta-merta cair menjadi titisan dan teroksida kepada aluminium oksida, dan pengembangan isipadu mengimbangi penguncupan
3. Revolusi pengikat: serbuk aluminium bertukar menjadi "gam tidak kelihatan"
Walaupun pasukan Rusia dan China sedang berusaha keras dalam pengubahsuaian serbuk, satu lagi laluan teknikal telah matang secara senyap - menggunakan serbuk aluminium sebagai pengikat. Seramik tradisionalPercetakan 3Dpengikat kebanyakannya resin organik, yang akan meninggalkan rongga apabila dibakar semasa nyahgris. Paten 2023 pasukan tempatan mengambil pendekatan berbeza: menjadikan serbuk aluminium menjadi pengikat berasaskan air47.
Semasa mencetak, muncung menyembur dengan tepat "gam" yang mengandungi serbuk aluminium 50-70% pada lapisan serbuk aluminium oksida. Apabila sampai ke peringkat penyahgris, vakum ditarik dan oksigen disalurkan, dan serbuk aluminium dioksidakan kepada aluminium oksida pada 200-800°C. Ciri pengembangan volum lebih daripada 20% membolehkan ia mengisi pori-pori secara aktif dan mengurangkan kadar pengecutan kepada kurang daripada 5%. "Ia sama dengan membongkar perancah dan membina dinding baharu pada masa yang sama, mengisi lubang anda sendiri!" seorang jurutera menggambarkannya begini.
4. Seni zarah: kemenangan serbuk sfera
"Penampilan" serbuk alumina secara tidak dijangka telah menjadi kunci kepada kejayaan - penampilan ini merujuk kepada bentuk zarah. Satu kajian dalam jurnal "Seramik Terbuka" pada tahun 2024 membandingkan prestasi serbuk alumina sfera dan tidak teratur dalam pencetakan pemendapan bersatu (CF³)5:
Serbuk sfera: mengalir seperti pasir halus, kadar pengisian melebihi 60%, dan cetakan licin dan sutera
Serbuk tidak teratur: tersekat seperti gula kasar, kelikatan 40 kali lebih tinggi, dan muncung disekat untuk meragui kehidupan
Lebih baik lagi, ketumpatan bahagian yang dicetak oleh serbuk sfera dengan mudah melebihi 89% selepas pensinteran, dan kemasan permukaan secara langsung memenuhi standard. "Siapa yang masih menggunakan serbuk "hodoh" sekarang? Kecairan adalah keberkesanan pertempuran!" Seorang juruteknik tersenyum dan membuat kesimpulan5.
Masa Depan: Bintang dan laut wujud bersama dengan kecil dan cantik
Revolusi percetakan 3D serbuk alumina masih belum selesai. Industri ketenteraan telah menerajui penggunaan teras pengecutan hampir sifar untuk mengeluarkan bilah turbofan; bidang bioperubatan telah menyukai biokompatibilitinya dan mula mencetak implan tulang tersuai; industri elektronik telah menyasarkan substrat pelesapan haba - lagipun, kekonduksian haba dan kekonduksian bukan elektrik alumina tidak boleh diganti.