基于低分子量有机凝胶系统的3D打印钽零件

供稿人:申泽宇、高琳
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

钽金属具有如延展性、优异的骨整合性、生物相容性等有益性能，这使得钽在航空航天、电子、医疗等领域被广泛应用。钽的3d打印技术还处于初级阶段。其中，凝胶注模的3d打印技术由于其在原材料上的灵活性，非常适合于制备复杂形状的钽零件。2019年北京科技大学的QianQin等人以低分子量的有机凝胶系统为基础制备出了表面质量较好的，无缺陷与气孔的钽零件。

研究人员在凝胶体系中以1—丁醇为有机溶剂，将1，3：2，4-二苄基山梨醇（C20H22O6，DBS）作为凝胶剂，油酸作为分散剂加入到正丁醇中。为了保证生坯的强度，还需要加入树脂。在预混合溶液中加入钽粉。在离心混合器中混合30min，将浆液加热至90℃，直到DBS和树脂完全溶解。之后使用Slic3r软件将需要打印的模型分割成代码，然后将浆液装入带有喷嘴的注射筒中，采用水浴加热使浆料保持液态，通过计算机控制打印出形状复杂的零件后将其放入50℃的真空烤箱中干燥之后对样品进行烧结。

研究者认为，3d凝胶打印的关键在于高固含量低粘度的浆料。在凝胶体系中加入2.5wt%的树脂与0.55wt%的油酸可以使零件的表面质量良好。62vol%的钽粉可以使浆料具有假塑性行为，从而适合3d凝胶打印。

使用喷嘴直径为0.6mm，填充率为94%，打印速度为18-22mm/s可以获得最优的零件参数。如图1，印刷表面无明显缺陷或缺损，对零件进行CLSM测试其表面粗糙度约为4.0μm。零件的断口形貌如图2，可以看出钽颗粒均匀分布，胶凝后完全结合，未观察到印刷线与层之间的结合界面。用此浆料进行3d凝胶打印可以获得很高的尺寸精度与表面质量。

图1：（a）.打印的字母B，CLSM图像的（b）表面形态，和（c）宽度图。

图2：印刷钽试样的断口形貌：（a）低倍下观察（b）高倍下观察。

使用预烧结过程可以完全去除有机物，烧结后的钽零件的相对密度可以达到98%，硬度达到78hrb，仍然保持其设计形状，不会出现缺陷与气孔，并且零件的表面粗糙度降低至2.8 μm。通过观察烧结后零件的微观结构可以看出其获得了致密的显微结组织，对烧结态进行XRD分析可以看出烧结后钽相具有体心立方结构且不存在氧化钽等相，也在一定程度上说明了样品中不存在凝胶等杂质。

参考文献：
Qian Qin, Fang Yang, Xinyue Zhang, Tao Shi, Yanru Shao ,Haixia Sun, Cunguang Chen, Junjie Hao, Zhimeng Guo. 3D printing of tantalum parts based on low molecular mass organic gel system[J]. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials,2019,84.