Al2O3-Y2O3烧结助剂包覆Si3N4陶瓷的DLP制备及其性能研究

供稿人：李赛 鲁中良 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室


目前，氧化物陶瓷是DLP (Digital light processing)成型陶瓷的主要热点，而利用DLP技术制造Si3N4等非氧化物陶瓷仍然具有很大的挑战性。与氧化物陶瓷相比，非氧化物陶瓷粉末紫外光吸收更多，并且非氧化物陶瓷粉末与树脂之间的折射率差异更大。以 Si3N4 为例，当紫外波长为 405 nm 时，Si3N4 粉末的折射率（2.0978）大于 SiO2（1.5571）和 Al2O3 等常见氧化物粉末（1.7555）对紫外光的折射率，而且大多数光敏树脂的折射率约为1.5。因此，Si3N4 粉末的表面改性对扩展DLP在非氧化物陶瓷增材制造领域中的应用十分重要。

为了改善Si3N4表面的光学性质，华中科技大学的团队[1]研究了Al2O3-Y2O3烧结助剂对Si3N4陶瓷粉末表面进行包覆。在添加不同量的Al2O3-Y2O3烧结添加剂的情况下，制备了具有30 vol%和35 vol%固体负载的陶瓷浆料。研究讨论了Al2O3-Y2O3烧结助剂加入Si3N4粉体流变性能、固化性能和力学性能的最佳用量。最后，通过DLP获得了形状复杂的Si3N4陶瓷。

图1 用Al2O3和Y2O3包覆Si3N4粉末的制备流程图

图2显示了经过烧结后，具有不同Al(NO3)3和Y(NO3)3溶液含量Si3N4陶瓷的微观形貌。从图中观察到，随着Al(NO3)3和Y(NO3)3溶液含量的增加，Al2O3和Y2O3的镀层逐渐增加，烧结过后的气孔逐渐减少并变小。在气孔处，断面无分层现象，说明坯体随着颗粒的重排而消失。

图3(a)显示了不同Al(NO3)3和Y(NO3)3溶液含量下Si3N4 陶瓷烧结件的收缩情况。研究发现，烧结助剂涂层的用量对DLP制备Si3N4陶瓷三个方向的线收缩率影响不大。图3(b-c)则展示试样的相对密度和弯曲强度。发现随着烧结助剂用量的增加，Si3N4陶瓷的相对密度先增大后减小，弯曲强度也呈现相同的变化趋势。

图2 不同Al(NO3)3和Y(NO3)3含量下氮化硅陶瓷的SEM图

图3 不同Al(NO3)3和Y(NO3)3溶液含量的烧结Si3N4陶瓷的力学性能：(a)收缩率； (b) 相对密度； (c) 抗弯强度。

参考文献：

    M.李，H.-L。 黄，J.-M。 吴，Y.-R。 吴，Z.-A。 石，J.-X。 张，Y.-S。 施，Si3N4 陶瓷的制备和性能，通过使用涂有 Al2O3-Y2O3 烧结添加剂的 Si3N4 粉末进行数字光处理，增材制造 53（2022 年）。