短纤维氧化物陶瓷基复合材料的增材制造：工艺分析与材料性能

来源：长三角G60激光联盟

德国开姆尼茨理工大学、波兰奥波莱理工大学、卢森堡科技学院（LIST）、德国开姆尼茨弗劳恩霍夫机床和成型技术研究所的科研人员报道了短纤维氧化物陶瓷基复合材料的增材制造：工艺分析与材料性能的研究。相关研究成果以“Additive manufacturing of short fiber oxide ceramic matrix composite: Process analysis and material properties”为题发表在《International Journal of Applied Ceramic Technology》上。

这项工作研究了基于材料挤压的纯氧化铝基氧化物陶瓷基复合材料增材制造（AM）工艺链，从材料选择、大规模复合成球、AM工艺本身、脱脂和烧结以及微观结构和力学表征开始。复合颗粒中粘合剂（聚乙烯醇缩丁醛[PVB]、聚乙二醇[PEG]和硬脂酸）和氧化铝（Al2O3、氧化铝粉末和Nextel 610氧化铝纤维）各占 50%，烧结后纤维体积占40%。这种材料在工业规模上的复合速度约为10 公斤/小时，基于材料挤压的AM工艺速度可达 1000毫米/秒。进料速度的变化导致表面粗糙度显著增加，质量增加30%，厚度增加12%，宽度增加25%。四点弯曲试验中的抗弯行为可以用快速达到第一个峰值来描述，并在随后出现第一条裂纹后达到更高的抗弯强度，平均值为23.8±3.6 MPa，低于.1%的伸长率。断裂面显示了预期的破坏机制，如拉出和裂纹偏转。打印样品中的纤维长度平均为140µm。

图1：(A)双螺杆挤出机通过热模挤出进行混合和均化。(B) 双传送带风干。(C)以约10公斤/小时的速度造粒。(D)收集颗粒。

图2：(A) 采用固定挤出机头和移动工作台的材料挤出打印工艺。(B) 演示器的制造。

图3：挤出机螺杆转速分别为 10 rpm、11 rpm和 15 rpm 时生产的绿色样品的表面质量差异。

图4：以10转/分的螺杆转速和不同的底座速度生产的绿色板材。

图5：(A) 不同壁厚的箱体演示。(B) 箱体演示器的俯视图及其尺寸

图6：两个不同尺寸、带内肋和不带内肋的箱形样板。

图7：10 rpm 批次样品24的部分轮廓测量。

图8：样品8、11、17 和 21 断裂表面的扫描电子显微镜(SE)图像（SE，10 kV，2000×）。

图9：扫描电子显微镜（SEM）图像（SE，10 kV）。(A）整体（63×）。(B）用40 Vol.% 的纤维增强（72×）。

图10：(A) 增材制造 (AM) 样品和 (B) 陶瓷注射成型(CIM) 样品的横向切割 CT 图像。

在未来的工作中，重点将放在进一步完善打印工艺上，以增强打印之间的粘附性和整合性，从而提高抗弯强度。还将探索在3D打印中加入连续纤维的先进技术，重点是优化纤维分布和排列,以提高承重能力。此外，还将继续研究和开发以载荷为导向的设计方法，以提高各种应用中打印组件的结构完整性和性能。此外，还将继续开发以应用为导向的演示器，展示拟议技术在满足特定行业需求方面的实际可行性。这些未来的努力将推动AM和连续纤维增强材料的发展，促进创造具有更强机械性能和结构弹性的高性能、特定应用 CMC产品。


论文链接：https://doi.org/10.1111/ijac.14842