光固化3D打印ZrO2陶瓷制备技术研究

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氧化锆陶瓷材料凭借着良好的化学稳定性、高强度、高硬度以及优异的生物相容性等性能,在化学化工、航空航天、能源和生物医疗等领域广泛应用。但由于其本身强度高、脆性大的属性,传统的成型方式对于个性化的精密陶瓷零部件的成型加工成本高、周期长。作为3D打印技术之一的光固化成型尤其擅长精细化、复杂化陶瓷的高精度成型,克服了传统陶瓷成型工艺中的难点。本论文基于DLP光固化成型工艺,进行了光固化3D打印ZrO2陶瓷制备技术的研究,主要包括三部分工作:(1)Zr O2光固化料浆制备技术研究。围绕ZrO2颗粒在光固化树脂中的分散,系统地研究了粉体性质、分散剂类别与掺量以及料浆的固含量对光固化料浆的流变学性能的影响。使用比表面积小、球形度高的ZrO2粉体更有利于高固含量低粘度料浆的配制。通过实验优选出添加量为4 wt.%的X-100作为分散剂,更有利于低粘度高固含量料浆的制备,并对分散机理进行了分析。通过料浆的固含量实验发现,料浆的固含量与粘度之间的关系满足Krieger–Dougherty模型;(2)料浆光固化成型技术研究。在分析并研究光固化树脂的固化性能的基础上,依据Beer-Lambert定律对ZrO2光固化料浆的固化动力学进行了研究分析。通过控制曝光强度恒定,研究了料浆的固化厚度随不同曝光时间的变化。通过Beer-Lambert方程分析出该能量强度下ZrO2光固化料浆的界曝光能量为131.02 mJ/cm2,紫外光线的穿透深度为97.60μm,为后续的打印参数设置提供了理论指导;(3)陶瓷生坯脱脂技术研究。攻克了3D打印陶瓷脱脂难、易开裂的问题。依据TG-DTG曲线,根据观察总结的不同阶段的脱脂现象规律,将整个脱脂环节划分为三个阶段:脱脂初期、脱脂中期和脱脂后期,分别在这三个温度区间开展脱脂实验,分析脱脂过程中缺陷产生的原因,对这三个温度区间的脱脂工艺进行优化改进。采用优化后的脱脂烧结程序获得了完整无缺陷的陶瓷坯体。烧结后,对陶瓷的物理性能进行了检测表征,结果表明,陶瓷平均收缩率为28.17%,使用阿基米德法测得的密度为6.03 g/cm3,相对密度为98.85%,打印的标准Zr O2试条的平均弯曲强度为644 MPa,维氏硬度可达15.19 GPa,断裂韧性为9 MPa.m1/2,性能已经接近传统方法制备的氧化锆陶瓷性能。
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