陶瓷3D打印技术，在航空航天业有巨大潜力

来源 ：粉体网

工信部、国资委联合发布了第一批前沿材料产业化重点发展指导目录，加快前沿材料产业化创新发展，引导形成发展合力。其中包括了“先进3D打印材料”，其性能特点为：采用3D打印技术制备的先进金属、结构与功能陶瓷、纤维复合等材料，具有优异的强度、塑韧性、疲劳性能、耐高温、耐腐蚀等性能。

实际上，世界科技强国都将增材制造技术作为未来产业发展新的增长点加以培育和支持，我国也将增材制造列入了“中国制造2025”强国战略，在“十三五”期间进行了重点支持和发展。

▲陶瓷增材制造技术

陶瓷3D打印应用市场：航空航天和国防占大头

随着“中国制造2025”的快速进展，陶瓷制造产业也经历了深刻的变革，正在向着“智能化，数字化”的方向进行转变。新兴的3D打印在高性能陶瓷的成型制造领域具有巨大的发展潜力，3D打印有望突破传统陶瓷加工和生产的技术瓶颈，为陶瓷关键零部件的应用开辟新的途径。
与聚合物和金属3D打印相比，陶瓷3D打印市场仍被认为是一个相对较新的细分市场。根据贝哲斯的报告显示，全球陶瓷3D打印材料市场在2022年容量达到4.1亿元，预计到2028年将达到32.52亿元，期间将以41.19%的年均复合增长率增长。
在陶瓷3D打印市场应用中，当前最大的客户群体来源都来自航空航天和国防高新技术行业，两者均对陶瓷制品（例如航天器的隔热瓦）有着大量的需求；其次就是生物健康医疗领域，这个领域陶瓷多被应用于制造像假牙、手术器械、人体假肢、植入体等医疗产品，因为通过3D打印技术可以准确地为患者定制符合自身人体构造的医疗用品，生物兼容性非常好。


透波陶瓷天线罩3D打印需求分析
高性能透波陶瓷是一类重要的陶瓷材料，其典型应用包括天线罩等导弹关键部件。作为决定制导系统探测性能和气动性能的核心构件，具备优异气动特性和高温承载、超宽带透波等性能的陶瓷天线罩的研制已成为新一代导弹研制中迫切需要解决的关键问题。因此，发展大尺寸高性能透波陶瓷构件的快速、精确成型技术，具有重要的军事意义与社会意义。

1.陶瓷天线罩无模具快速试制需求
目前陶瓷天线罩材料的研究和应用主要以石英陶瓷和氮化硅陶瓷为主。石英陶瓷天线罩一般采用泥浆浇注、注凝成型等成型方法；氮化硅陶瓷天线罩采用热压烧结、热等静压烧结、反应烧结、无压烧结等制备方法。以上方法在成型过程中均需要模具。

▲美国Ceradyne公司生产的熔融石英陶瓷天线罩

成型的陶瓷构件素坯还需要经过复杂的磨削加工才能形成最终产品，整体的制造周期长。因此，在研制阶段，需要实现天线罩快速试制以缩短研制周期，迫切需要发展不需要模具的天线罩快速制造方法。

2.复杂结构外形陶瓷天线罩研制需求
飞行马赫数为5~16的高超声速导弹具有飞行速度快、突防能力强、攻击目标范围广、杀伤威力大等特点，成为航空航天领域发展的一个主要方向。传统的天线罩采用轴对称的流线型外形，是无法满足5以上的飞行马赫数的。因此，具有较高升阻比和更强动机性的乘波体等复杂结构外形成为高超声速导弹构型的重要发展方向。

▲美国 X-51A 实验型高超声速飞行器

然而，飞行器复杂的结构外形使得天线罩的制造难度和成本大幅增加，迫切需要发展可以实现复杂结构外形天线罩快速制造的工艺方法。

3.宽带夹层结构陶瓷天线罩研制需求
为提升制导精度和抗干扰能力，天线罩必须在更宽的工作频段范围内工作，（从窄带透波拓展到2GHz以上的宽带透波）。但传统天线罩一般采用单层半波壁结构，工作带宽有限。因此采用夹层结构是实现天线罩宽带透波的重要途径。宽带夹层结构陶瓷天线罩的复杂结构给其制备带来了很大的难度，国内外在夹层结构陶瓷天线罩的制备上开展了大量的研究。如美国波音公司研制了两层结构的多倍频程宽带天线罩，该天线罩由低密度的氮化硅芯层和高密度的氮化硅表面组成。

▲天线罩典型夹层结构示意图

目前宽带夹层结构陶瓷天线罩制备技术成熟度不高，且工艺复杂、成本较高，迫切需要进一步探索新的制备方法。

4.陶瓷天线罩3D打印技术的发展需求
为满足陶瓷天线罩快速试制以及复杂结构外形、宽带夹层结构天线罩精密研制的需求，陶瓷3D打印技术成为重要的发展方向。相对于传统制造技术，3D打印不需要模具，成型速度快，特别适用于复杂异形构件成型，且构件越复杂，优势越显著。因此发展陶瓷3D 打印技术，对于天线罩的快速试制及技术发展具有重要的意义。

透波陶瓷3D构件打印工艺

1.3D打印工艺
与金属材料不同，常用的透波陶瓷材料难以应用选择性激光熔化（SLM）等直接打印工艺进行成型。石英陶瓷在加热至1600℃熔化后性能会发生变化，而氮化硅陶瓷虽在常压下没有固定熔点，但加热至1870℃后也会发生分解，因此透波陶瓷一般采用间接3D打印工艺。

△陶瓷3D打印工艺的指标对比

不同的陶瓷3D打印工艺具有不同的特点。针对导弹天线罩等应用场合，由于导弹天线罩对力学强度、表面质量、电性能均有严格的要求：
3DP工艺打印的陶瓷构件强度过低而难以满足要求；

SLS工艺和 FDM 工艺可用于单层结构的陶瓷天线罩打印，并通过后续的精密加工保证表面质量，但打印的构件精度较低，因此难以用于宽带夹层结构天线罩的打印；

SLA工艺和 DLP工艺打印的陶瓷构件表面质量和精度较高，可用于各类陶瓷天线罩的制备，但3D打印效率较低、成本较高。

▲特种陶瓷涡轮叶片、天线罩等（来源：升华三维，采用PEP粉末挤出陶瓷3D打印技术，该技术是在FDM熔融沉积成型技术的基础上，结合粉末冶金工艺形成的一种3D打印方法。）

2. 3D打印材料
国内在3D打印材料方面已开展了大量的研究，但主要集中在氧化铝 (Al2O3)、氧化锆(ZrO2)、硅酸钙(CaSiO3)、碳化硅(SiC)等非透波陶瓷材料。对于高温透波陶瓷材料的研究主要集中在氧化物陶瓷、磷酸盐陶瓷和氮化物陶瓷三个方面，但对于3D打印透波陶瓷材料的研究较少。

▲不同种类透波陶瓷的特点及适用领域

针对透波陶瓷的3D打印要求，需要开展3D打印材料研究，形成性能稳定的材料体系和批量化制备能力。

高性能透波陶瓷在航空航天领域具有重要的应用价值。随着技术的发展，现有的复杂外形透波陶瓷构件面临着试制周期长、成型困难等难题。发展先进的陶瓷3D打印技术，对于导弹天线罩等高性能陶瓷构件的设计、研制和生产具有积极的推动作用。目前高性能透波陶瓷构件的3D 打印还处于起步阶段，迫切需要开展深入研究，攻克设备、材料、工艺等一系列关键技术。