Al2O3-Y2O3烧结助剂包覆Si3N4陶瓷的DLP制备及其性能研究

3D打印科研前沿
2022
06/10
16:49
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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。
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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。
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图2 不同Al(NO3)3和Y(NO3)3含量下氮化硅陶瓷的SEM图
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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)。



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