沈阳自动化所在陶瓷增材制造技术领域取得新进展

来源： 沈阳自动化研究所

近日，中国科学院沈阳自动化研究所在陶瓷增材制造技术新领域取得新的研究成果，提出了一种光固化数学模型，用于分析研究立体光刻（SLA）零件的成型质量；发现前驱体陶瓷浆料在增材制造过程中存在固化缺陷，并提出了改善方法。该研究成果发表于JOURNAL OF THE EUROPEAN CERAMIC SOCIETY。

陶瓷作为材料界的新秀，结构陶瓷和功能陶瓷广泛应用于航空航天、电子科技、生物医疗等领域。增材制造技术使得陶瓷产品多样化、复杂化、多功能化和高性能化，但是增材制造过程中的光固化缺陷是影响最终产品的关键因素。以往的研究仅是局限于材料与激光之间的相互作用，而整体光固化的固化区域布局和缺陷分布规律未曾被研究，其中牵涉到陶瓷浆料的单点光固化数学模型更没有被提出。

沈阳自动化所工艺装备与智能机器人研究室提出一种光固化数学模型，用于分析在不同点搭接率、线搭接率和面搭接率下，零件整体光固化中不同固化质量布局和缺陷形成规律；通过实验验证的方法，进一步提出结合浆料参数与设备参数相匹配的方法，从而改善陶瓷增材制造过程中的缺陷问题。

目前，沈阳自动化所拥有了国内先进的陶瓷增材制造能力，具备高精度成型的立体光刻工艺、材料热重分析仪器、温控精准的1700度高温电炉和真空脱脂炉等设备，能够形成一条基于数字光固化成型的陶瓷产品制备的工艺链，自主研发和设计不同复杂形状的陶瓷零件。

△多孔且具备复杂和简单结构的氧化铝陶瓷

早在2020年，中国科学院沈阳自动化研究所就曾与辽宁大学合作开发了一种基于陶瓷先驱体材料，采用“固化交联-高温裂解”一体化增材制造工艺，成功制备出功能陶瓷试样。

不同于传统的以陶瓷粉末烧结为原理的增材制造工艺，先驱体陶瓷增材制造技术是将有机高分子先驱体材料通过激光光束照射，经过“固化交联”和“高温热裂解”等过程，最终转化为无机陶瓷。整个工艺过程是一个由“有机的液态的高分子先驱体材料”转化为“无机的固态陶瓷材料”，实现了有机物制备无机陶瓷材料，可以实现复杂陶瓷零件的一体化制造，兼顾精度、效率和成本。

随着航空航天、核电等行业发展，对于陶瓷基陶瓷复合材料部件的需求日益强烈。传统的陶瓷制备工艺存在着制备温度高，成型困难，加工性差，组织不均匀等问题。先驱体陶瓷增材制造工艺不仅可以实现控形控性、快速制造，还可以实现结构功能一体化特殊需求的陶瓷构件制造，具有广阔的应用前景。

△制备的先驱体陶瓷试样

△先驱体陶瓷制备流程