盘点可与3D 打印技术兼容的功能陶瓷材料

导读：当我们提到陶瓷时，许多人首先想到的是陶器或瓷器，但功能陶瓷实际上是地球上最坚固和最坚韧的材料之一。功能陶瓷可分为氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷两类，它们之间的主要区别在于氧化物至少含有一个氧原子和另一种元素，从而赋予其不同的性质。值得注意的是，非氧化物陶瓷通常具有更好的导电性和更高的硬度，而氧化物陶瓷更容易熔化和烧结，从而更容易在制造中使用。

此外，上述功能陶瓷可以以多种形式（包括细丝、粉末和树脂）用于增材制造。在本期文章中，南极熊列举了可与 3D 打印技术兼容的功能陶瓷材料，其中不包括粘土等其他常用陶瓷材料。这些功能陶瓷材料越来越多地应用到从航空航天、国防到汽车等各个领域，甚至生物医学领域。

氧化物类陶瓷

氧化铝

氧化铝是与增材制造兼容的功能陶瓷之一，应用范围广泛，熔化温度高于2000°C，具有很强的耐高温和热冲击能力。氧化铝也因其卓越的硬度而经常被选择，使其成为仅次于金刚石的最硬的天然材料。它还因其耐腐蚀、耐高温、电绝缘、导热和生物相容性而受到赞赏。它用于电子（绝缘体）、生物医学假肢、切削工具和航空航天等主要应用。

△图片来源：优美科

氧化锆

氧化锆材料在低温和高温下都具有出色的机械性能。由于其在室温下导热率相对较低，这种材料在暴露于极端条件下时表现出卓越的品质。在超过 1000°C 的温度下，氧化锆成为优异的电导体。其高硬度、耐磨性、化学惰性和抵抗金属侵蚀的能力使其成为广泛应用的首选材料，包括珠宝、生物医学设备、生物医学植入物（特别是牙科植入物）和电子设备。

△照片来源：3DCeram

氧化硅类陶瓷

另一种用于增材制造的陶瓷材料是硅基（Silicone）陶瓷。硅基陶瓷专为铸造磁芯设计，其主要成分是二氧化硅。多孔性是氧化硅主要优点之一，极大地简化了从铸件中的取出流程，并便于清洗。此外，这种陶瓷在面对压力时具有出色的机械强度和坚固性。Silicone几乎可用于所有合金（含钴合金除外），并且即使在非常高的温度下也以其稳定性而著称。

△照片来源：3Dceram

堇青石

堇青石，也称为蓝晶石，是一种镁铁铝环硅酸盐（由二氧化硅组成的硅酸盐矿物）。堇青石功能陶瓷主要用于航空航天工业的光学零件，也用于电加热技术，包括采用增材制造的领域。例如，瞬时电热水器的绝缘体、燃气燃烧器的加热导体支架或插入件均由堇青石制成。它们的膨胀系数较低，因此对温度变化具有很强的抵抗力。堇青石还耐磨，具有良好的机械强度和低导热率。堇青石分为多孔堇青石和致密堇青石。与致密类型相比，多孔堇青石的抗弯强度较低，但抗热震性较高。

△照片来源：Keramikverband

羟基磷灰石

羟基磷灰石可以被认为是一种生物陶瓷材料。它是属于磷灰石家族的矿物质，也是骨骼的主要成分之一。它常被用于 3D 打印，并与其他技术一起用于生物医学领域的骨骼重建。羟基磷灰石也是一种生物活性材料，即它能够与生物体的骨骼和软组织形成直接化学键。这使得它特别有趣，因为羟基磷灰石植入物是可吸收的，这意味着它们在植入后不需要从体内移除。羟基磷灰石3D打印主要用于颅骨、脊柱和骨科植入物等的生产。

△照片来源：3DCeram

氧化铝复合氧化锆材料

氧化铝，也称为氧化铝，在粘土和搪瓷的组成中起着重要作用。另一方面，由于具有相似的特性，氧化锆通常被认为是钻石的同类，是一种特别耐用的宝石。因此，硬化氧化铝和氧化锆的组合创造了一种特殊的陶瓷材料，具有工业和生物医学应用。氧化铝增强氧化锆特别适合生物医学领域，尤其是牙科，因为它具有莫氏硬度和韧性。其高生物相容性以及耐热冲击性和耐磨性使其成为口腔种植体、牙科零件和其他组件等牙科应用的理想选择。

△图片来源：CHEMCO

非氧化物陶瓷

碳化硼

碳化硼 (B4C) 是一种以其硬度而闻名的材料；它是世界上最硬的材料之一，仅次于金刚石和立方氮化硼。这种陶瓷具有优异的耐磨性、抗压性和耐热性，密度低，导热系数低。它主要用于航空航天应用（喷嘴的制造）、核应用或防弹背心或坦克等装甲设备的生产。在增材制造中，它不是使用最广泛的陶瓷，但它可以作为细丝（碳化硼与聚合物的混合物）以及粉末形式存在。

△碳化硼是一种功能陶瓷，可以在增材制造中以细丝或粉末形式使用。照片来源：Fiven

氮化硅

氮化硅是增材制造最有趣的功能陶瓷之一。它是一种以矿物形式（聂长石，存在于某些陨石中）存在的天然陶瓷。也可通过将硅粉在氮气气氛中加热至1400℃而获得。在性能方面，氮化硅具有很强的耐磨、耐腐蚀、耐开裂性能。它不仅是制造轻质、尺寸稳定零件的理想材料，而且还是一种良好的电绝缘体，并且对熔融金属具有低润湿性（一种物理特性，表征液滴在固体表面上保持或扩散的能力）。这种功能陶瓷与增材制造结合使用，可在众多行业中实现广泛的用途。其最引人注目的应用是半导体、阀门和泵组件以及加热管的制造。

△照片来源：UBE公司

氮化铝

氮化铝（AlN）是铝和氮的化学物，其特性包括高导热性、高效的电绝缘性和显着的机械强度。这些特性使其成为电子行业，特别是微电子行业的首选。氮化铝经常用于半导体结构，并作为 LED 技术中的散热器。另一个优点是它耐等离子体，并且在加工过程中使用安全。

△照片来源：3DCeram

碳化硅

碳化硅是一种极其耐用的化合物，尽管其成分与金刚石相似（考虑到该化合物中碳 (C) 和硅 (Si) 的尺寸差异，这似乎不太可能），但碳化硅衍生物种类繁多。有些经过烧结或再结晶，但它们具有共同的特性，使它们成为卓越的功能陶瓷，包括用于增材制造。尽管导热率很高，但这些陶瓷的特点是具有出色的耐热冲击性和耐磨性。碳化硅具有卓越的耐腐蚀性、高硬度和高温机械性能，是汽车和能源行业的理想复合材料。主要应用包括加热系统、电动汽车和电动汽车充电站零件的制造，包括增材制造。

△照片来源：Arrow.com

中国已经出现一批陶瓷3D打印厂商，例如：北京十维、武汉三维陶瓷、浙江迅实、厦门斯玛特陶泥、厦门智创诚陶泥、佛山光垒、西安点云、江苏乾度、嘉兴饶稷、武汉因泰莱、深圳升华三维、昆山博力迈、醴陵九天、济南易造Eazao、上海数造、黑锆增材、上海魅湃、君璟科技等