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南方科技大學頂刊綜述：增材制造陶瓷基復合材料的研究進展！

2022-08-15 15:52:47 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：與單相陶瓷組件相比，陶瓷基復合材料(CMC)的增材制造(AM)能夠生產高度定制、幾何復雜和功能化的部件，其性能和功能得到顯著改善。這也為受天然材料啟發的共連續相增強陶瓷復合材料的耐損傷成形開辟了一條新途徑。目前，多種增材制造技術已成功地應用于陶瓷基復合材料CMC的制備，但其性能也不盡相同。本文通過對各種AM技術的性能和局限性的系統評價，對陶瓷基復合材料的AM技術進行了全面的綜述，重點介紹了AM技術制備的陶瓷基復合材料的性能和潛力。

增材制造 (AM) 或 3D 打印是一種基于 CAD 模型通過逐層添加材料制造組件的新型制造方法，它在陶瓷或陶瓷基復合材料組件的制造中提供了許多好處，總結如下：(1) 幾何復雜性和定制生產。AM 打破了傳統的設計規則，提供了更高的設計自由度。工程師提高了零件的設計靈活性，并進行了創新且可能更有效的結構設計，這些設計無法通過減材或成型制造方法制造。傳統上，陶瓷或陶瓷基復合材料的形狀通常取決于模具或纖維預制件前體的尺寸和形狀。陶瓷工程師可以基于免工具增材制造工藝設計高度復雜形狀或定制的陶瓷基復合材料產品。(2) 快速原型和更低的成本。傳統上，在小批量生產中創建的高度定制的零件通常需要較長的加工時間。AM 克服了這些限制，因此公司可以縮短交付時間和成本。因此，設計人員可以提供多個設計迭代，以快速響應時間進行制造。 (3) 可定制的成分和性能。AM能夠一次生產功能梯度材料（FGMs）和低溫共燒陶瓷（LTCC）等多材料零件，可以實現結構和功能的結合，節省時間，減少零件數量，和更低的制造成本。 (4) 共連續相增強復合材料。傳統的陶瓷復合材料通常由離散增強材料（如短切纖維、晶須和納米顆粒）增強，或基于 2D 編織織物或 3D 編織預制件。AM 提供了制造具有明確結構的共連續相增強陶瓷復合材料的機會；問題是是否有可能使這種復合材料的性能至少與傳統成型所獲得的性能一樣好，甚至更好。

在此，南方科技大學聯合伯明翰大學、武漢理工大學科研人員概述了主流的陶瓷增材制造技術和工藝機制。此外，還詳細介紹了陶瓷基復合材料增材制造的最新進展，包括離散相增強復合材料和自然靈感復合材料。最后，討論了當前應用的結論以及關鍵挑戰。總結如下：

CMC 的增材制造仍處于起步階段，仍然存在許多挑戰和問題阻礙其工業應用。

首先，所得復合材料的機械可靠性受到零件制造和后續燒結過程中可能引入的一系列關鍵缺陷的極大限制，這些缺陷包括殘余孔隙率、裂紋、界面結合不良和（非連續）增強不均勻性。至關重要的是，如何精確控制這些缺陷，以便可以重復的獲得 CMC。

其次，當需要連續纖維增強時，將其與增材制造相結合是目前研究人員面臨的最大挑戰之一。由于連續纖維增強的 CMC 的機械性能比填料增強的 CMC 好得多，因此迫切需要開發一種允許這種方法或與其他技術結合的新 AM 方法。

第三，制造具有所需性能的大型CMC零件的能力仍未得到證實；這主要受到現有增材制造技術的構建體積和打印分辨率的限制。粘合劑噴射和 DIW 在大型零件中顯示出潛在的優勢，但制造零件的相對密度需要大幅提高。

第四，CMC 的許多應用需要極高的尺寸精度，然而，現有 AM 技術的打印分辨率對打印精度和可實現的表面光潔度都有限制。由于干燥、脫脂和燒結等后處理步驟，AM 加工的 CMC 零件通常具有較差的尺寸公差。例如，由 SLA 制成的燒結 CMC 零件通常會發生較大的收縮，這會導致尺寸精度不受控制。此外，在 SLA 過程中由增強材料引起的光散射會影響打印精度和表面粗糙度。

最后，制成的仿生陶瓷/聚合物復合材料不具備陶瓷材料對極端環境的固有抵抗力，因此探索陶瓷/金屬和陶瓷/陶瓷復合材料至關重要。希望這些挑戰都能在不久的將來得到解決，從而實現對 CMC 的 AM 加工的工業應用。

相關研究成果以題“A review on additive manufacturing of ceramic matrix composites”發表在知名期刊Journal of Materials Science & Technology上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1005030222005886

陶瓷基復合材料(CMCs)是由纖維、晶須、碳納米管(CNTs)、石墨烯、顆粒和陶瓷基體中的第二聚合物或金屬相等一種或多種增強材料組成。這種復合材料通常具有優異的強度和耐磨性，良好的斷裂韌性，高溫穩定性，以及優異的抗熱震性能和功能性。這些顯著的機械和物理性能使得這類材料在航空航天和國防、汽車、能源和電力、電子和電氣、化學和生物醫學工程等行業的應用非常需要。這些應用正在推動陶瓷基復合材料市場的發展。如圖1所示，預計到2026年，CMC全球市場規模將從2018年的81億美元增長到207億美元，近年來年均增長率超過19%。航空航天是最大的應用領域，2018年占總市場份額的36.32%。

圖1 2018-2026 年全球陶瓷基體市場規模和 2018 年按最終用途行業分列的市場份額。

自其發明以來，增材制造已被用于制造聚合物、金屬、陶瓷、復合材料和其他材料。相對于聚合物和金屬，3D打印在陶瓷和陶瓷基復合材料生產上的應用還處于初級階段。按照AM的技術路線圖，如圖2所示，AM技術可以被描述為立體光刻(SLA)，選擇性激光燒結(SLS)，層壓物體制造(LOM)，噴墨打印(IJP)，粘合劑噴射(BJ)，激光工程網成形(LENS)，直接墨水書寫(DIW)，以及混合增材制造(H-AM)。近年來，所有AM技術都進行了全面的綜述，重點介紹了所使用的材料、工藝參數、機理和應用。鑒于此，本綜述對陶瓷增材制造技術進行了非常簡化的介紹。

圖2 陶瓷增材制造技術路線圖。

每一種AM技術都為制備陶瓷基復合材料提供了機會。然而，沒有一個“最好的整體”陶瓷AM技術，是最合適用來創建一個特定的陶瓷復合材料。因此，建議在選擇陶瓷基復合材料和最終用途的AM工藝時，應根據其顯著的優勢和局限性，以及諸如構建體積和分辨率等問題，仔細考慮?？偟膩碚f，構建量與分辨率之間的矛盾關系如圖3所示。這意味著要制造更高分辨率的零件，需要將構建體積縮小到更小的體積。SLM和LENS不涉及耗時的熱處理，但極端的溫度梯度阻止了高密度零件的制造。其他3D打印方法，如DIW, IJP和BJ，允許最廣泛的可打印材料選擇。因此，對于特定的陶瓷材料和應用，最佳AM候選的選擇應該基于對所有AM技術的全面調查。