基于DLP光固化成型的透明氧化铝陶瓷的3D打印及其烧结动力学研究

DLP-SLA-based 3D printing technique possesses unique advantages in preparation of complex-shaped and high-performance ceramic materials, i.e., high precision, fast shaping,and easy to realize ceramic densification.This project will encompassment the core problems of high solid content, high homogeneity and slurry with low viscosity, the surface modification of double coupling method is innovatively proposed. Characterizatin methods such as in situ real-time FTIR are ultilized to montior the photopolymerization process and set the polymerization kintics model.The characteristics of the multi-dimensional defects of the printed interlaminar interfaces of the 3D printed transparnt alumina are investigated via analytical TEM theory. And the relationship between the preparation technique, the microstructure , the mulitidimensional defects of the printed interlaminar interfaces and the mechanical/optical properties will be revealed. The sintering behaviors will be forecasted and monitored, and the sintering kintics window will be set. The optical, mechanical properties and in-situ fracture behaviors will be studied.The projects undertaken is expected to resolve the non-mold shaping of transparent alumina parts with complicated shape and high precision via the approach of 3D printing.The theoretical basis and scientific basis will be accumulated for 3D printing in the preparation of high-performance and complicated-shaped ceramics parts.

基于DLP光固化成型的3D打印技术在制备复杂形状的高性能陶瓷材料具有高精度、成型速度快、易实现陶瓷致密化的独特优势，本项目将围绕高固含量、高均匀性、低粘度陶瓷浆料的制备这一核心问题，创新性地提出利用“双偶联法”改性陶瓷粉体的表面改性方法，利用原位实时红外等手段来原位监控氧化铝陶瓷浆料的光固化过程并建立光固化动力学模型，基于分析型透射电子显微学理论研究3D打印透明陶瓷的打印层间界面多维度缺陷特征，并揭示3D打印透明陶瓷制备工艺-显微结构-打印层间界面多维度缺陷-陶瓷力学、光学性能之间的关联关系。对烧结行为进行预测、监控并建立烧结动力学窗口，对透明氧化铝光学、力学性能、原位断裂学行为进行研究。本项目的开展有望通过3D打印解决透明氧化铝异形陶瓷部件高精密无模成型，并为3D打印在制备高性能、复杂形状陶瓷部件方面积累一定的理论基础和科学依据。

3D打印属于智能制造的学科方向，目前已经广泛应用于能源、航空航天、机械、化工、电子、半导体、医学等领域，然而，结构陶瓷3D打印目前仍有许多方向可以深挖并还存在很多没有解决的关键科学与技术问题。该项目的主题为“基于DLP光固化成型的透明氧化铝陶瓷的3D打印及其烧结动力学研究”，项目从（1）基于光固化成型透明氧化铝陶瓷浆料的表面球磨激活预改性（“双偶联法”）、浆料流变学行为及陶瓷切削刀具的应用；（2）原位实时红外等手段原位监控氧化铝陶瓷浆料的光固化过程及光固化动力学模型的建立；（3）透明氧化铝陶瓷光固化浆料的干燥-脱脂-后处理工艺优化；（4）微型陶瓷结构3D打印及其显微结构调控、烧结动力学调控及缺陷修复；（5）二元助烧剂掺杂3D打印高纯超细氧化铝陶瓷裂纹阻力行为及烧结动力学研究；（6）基于液相前驱体浸渗的光固化3D打印的金属离子互补掺杂增韧材料的研究；（7）特种烧结方法制备光固化3D打印透明氧化铝陶瓷。总体进展良好，取得了丰硕的研究成果，完成了项目目标任务。. 通过采用适用于光固化成型体系的陶瓷粉体表面改性技术，实现高分散、高固相含量、低粘度的陶瓷悬浮体的制备，并揭示了其表面改性的机理；系统研究了陶瓷粉体的表面改性活化指数等因素对透明氧化铝陶瓷的光固化成型过程的影响，建立了氧化铝陶瓷浆料的光固化成型动力学模型，实现对其光固化过程的可控调控。通过现代分析型透射电子显微学，构建了打印层间界面多维度缺陷与陶瓷光学、力学性能的作用机理模型，揭示透明陶瓷制备工艺-陶瓷微观结构-打印层间界面多维度缺陷-陶瓷力学、光学性能之间的关联关系。实现了光固化成型透明氧化铝陶瓷烧结行为的预测，并建立了对应的烧结动力学窗口，通过调控烧结动力学制备高性能的多晶透明氧化铝陶瓷。对光固化透明氧化铝陶瓷烧结体的光学、力学性能及断裂学行为进行了评价。在本项目的支持下，本人领导团队发表了陶瓷3D打印相关论文17篇SCI论文（其中中科院1区7篇，JCR一区11篇），发表的论文受到了国内外同行的广泛关注以引用，申请中国发明专利3项，授权2项（授权时间在执行期内）；受邀发表国内学术会议特邀主题报告1次。在本项目的支持下项目负责人获批广东省级人才计划——“广东省杰出青年基金”。