Kejayaan serbuk alumina dalam bahan percetakan 3D
Berjalan masuk ke makmal Universiti Politeknik Northwestern, sebuah makmal pengawetan cahayaPencetak 3D berdengung sedikit, dan pancaran laser bergerak tepat dalam buburan seramik. Hanya beberapa jam kemudian, teras seramik dengan struktur kompleks seperti labirin dibentangkan sepenuhnya – ia akan digunakan untuk melontar bilah turbin enjin pesawat. Profesor Su Haijun, yang bertanggungjawab ke atas projek itu, menunjuk ke arah komponen yang halus itu dan berkata: “Tiga tahun yang lalu, kami tidak berani memikirkan tentang ketepatan sedemikian. Penemuan utama tersembunyi dalam serbuk alumina yang tidak mencolok ini.”
Pada suatu masa dahulu, seramik alumina umpama "pelajar bermasalah" dalam bidangPercetakan 3D– kekuatan tinggi, rintangan suhu tinggi, penebat yang baik, tetapi sebaik sahaja dicetak, ia mempunyai banyak masalah. Di bawah proses tradisional, serbuk alumina mempunyai kecairan yang lemah dan sering menyekat kepala cetak; kadar pengecutan semasa pensinteran boleh setinggi 15%-20%, dan bahagian yang dicetak dengan usaha yang tinggi akan berubah bentuk dan retak sebaik sahaja dibakar; struktur kompleks? Ia lebih kepada kemewahan. Jurutera bermasalah: “Benda ini seperti seorang artis yang degil, dengan idea yang liar tetapi tidak cukup tangan.”
1. Formula Rusia: Meletakkan "perisai seramik" padaaluminiummatriks
Titik perubahan pertama kali datang daripada revolusi dalam reka bentuk bahan. Pada tahun 2020, saintis bahan dari Universiti Sains dan Teknologi Kebangsaan (NUST MISIS) Rusia mengumumkan teknologi disruptif. Daripada hanya mencampurkan serbuk aluminium oksida, mereka memasukkan serbuk aluminium berketulenan 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 aras nano pada bola aluminium. Serbuk "struktur teras-cangkerang" ini menunjukkan prestasi yang menakjubkan semasa pencetakan 3D laser (teknologi SLM): kekerasannya adalah 40% lebih tinggi daripada bahan aluminium tulen, dan kestabilan suhu tinggi bertambah baik dengan ketara, memenuhi keperluan gred penerbangan secara langsung.
Profesor Alexander Gromov, ketua projek, telah membuat analogi yang jelas: “Pada masa lalu, bahan komposit umpama salad – setiap satunya bertanggungjawab ke atas perniagaannya sendiri; serbuk kami umpama sandwic – aluminium dan alumina saling menggigit lapisan demi lapisan, dan kedua-duanya tidak boleh hidup tanpa yang lain.” Gandingan yang kukuh ini membolehkan bahan tersebut menunjukkan kehebatannya dalam bahagian enjin pesawat dan rangka badan ultra ringan, malah mula mencabar wilayah aloi titanium.
2. Kebijaksanaan Cina: keajaiban "penetapan" seramik
Titik kesukaran terbesar pencetakan seramik alumina ialah pengecutan pensinteran – bayangkan anda menguli acuan tanah liat dengan teliti, dan ia mengecut kepada saiz kentang sebaik sahaja ia memasuki ketuhar. Berapa banyak ia akan runtuh? Pada awal tahun 2024, keputusan yang diterbitkan oleh pasukan Profesor Su Haijun di Northwestern Polytechnical University dalam Journal of Materials Science & Technology mencetuskan industri: mereka mendapat teras seramik alumina pengecutan hampir sifar dengan kadar pengecutan hanya 0.3%.
Rahsianya adalah dengan menambahserbuk aluminiumkepada alumina dan kemudian memainkan "keajaiban atmosfera" 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 menjadi aluminium oksida, dan pengembangan isipadu mengimbangi pengecutan
3. Revolusi pengikat: serbuk aluminium bertukar menjadi "gam halimunan"
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 3DBahan pengikat kebanyakannya resin organik, yang akan meninggalkan rongga apabila dibakar semasa penyahgris. Paten pasukan domestik pada tahun 2023 mengambil pendekatan yang berbeza: menjadikan serbuk aluminium menjadi pengikat berasaskan air47.
Semasa mencetak, muncung menyembur "gam" yang mengandungi 50-70% serbuk aluminium pada lapisan serbuk aluminium oksida dengan tepat. Apabila tiba di peringkat penyahgris, vakum ditarik dan oksigen dialirkan, dan serbuk aluminium dioksidakan kepada aluminium oksida pada suhu 200-800°C. Ciri pengembangan isipadu lebih daripada 20% membolehkannya mengisi liang secara aktif dan mengurangkan kadar pengecutan kepada kurang daripada 5%. "Ia bersamaan dengan membongkar perancah dan membina dinding baharu pada masa yang sama, mengisi lubang anda sendiri!" seorang jurutera menggambarkannya seperti ini.
4. Seni zarah: kemenangan serbuk sfera
"Rupa" serbuk alumina secara tidak dijangka telah menjadi kunci kepada penemuan baharu – rupa ini merujuk kepada bentuk zarah. Satu kajian dalam jurnal "Open Ceramics" pada tahun 2024 membandingkan prestasi serbuk alumina sfera dan tidak sekata dalam pencetakan pemendapan terlakur (CF³)5:
Serbuk sfera: mengalir seperti pasir halus, kadar pengisian melebihi 60%, dan percetakannya licin dan sutera
Serbuk tidak sekata: tersekat seperti gula kasar, kelikatannya 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 permukaannya terus memenuhi piawaian. “Siapa yang masih menggunakan serbuk “hodoh” sekarang? Kebendairan adalah keberkesanan pertempuran!” Seorang juruteknik tersenyum dan membuat kesimpulan5.
Masa Depan: Bintang dan laut wujud bersama dengan yang kecil dan indah
Revolusi percetakan 3D serbuk alumina masih jauh daripada berakhir. Industri ketenteraan telah menerajui penggunaan teras pengecutan hampir sifar untuk mengeluarkan bilah turbofan; bidang bioperubatan telah mengambil berat tentang biokeserasiannya dan mula mencetak implan tulang tersuai; industri elektronik telah menyasarkan substrat pelesapan haba – lagipun, kekonduksian terma dan kekonduksian bukan elektrik alumina tidak dapat digantikan.