基于DLP光固化成型的ZrO2浆料的制备与性能研究

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氧化锆陶瓷材料由于其优异的稳定性、生物相容性、耐高温耐腐蚀性以及良好的硬度和强度,在航空航天、汽车、生物医学、电子元件等生产领域应用广泛。但由于陶瓷材料脆性大、硬度高,复杂形状结构零件的加工成型非常困难。传统陶瓷加工技术依赖于模具制造,其生产周期长、制造成本高等因素,更加无法满足几何结构复杂、精度要求高的个性化陶瓷零件定制的要求。为了克服传统陶瓷制造中的难点,本研究工作采用晶粒度小于400 A的微纳米3 mol.%钇稳定氧化锆粉体为研究对象,将围绕DLP-3D打印光固化成型工艺的要求,研究适用于DLP光固化工艺的ZrO2陶瓷浆料的制备技术。并通过优化光固化和脱脂烧结工艺,获得具有细晶强韧化效果的高性能ZrO2陶瓷体。开展的主要工作和得到的结论如下:(1)光固化ZrO2陶瓷浆料的制备与研究。研究钇稳定氧化锆陶瓷粉体在光敏树脂体系中的分散行为,分析不同分散剂的作用机理以及其对浆料性能的影响。研究表明分散剂DISPERBYK-110在添加量为2 wt.%~5 wt.%时可以获得流动性能良好的浆料。使用晶粒尺寸细小、球形度高的TZ-3YSE粉体更加有利于流动性好、低粘度浆料的制备。通过控制粉体体积分数,获得了满足DLP-3D打印需求的高固相量的浆料,且固含量与相对粘度之间的关系符合Krieger-Dougherty模型。最终制得固含量为40 vol.%、剪切速率30 s-1下粘度为1.79 Pa·s的浆料,满足光固化工艺对浆料粘度的要求。(2)ZrO2陶瓷浆料的光固化成型技术研究。通过分析陶瓷树脂基浆料光固化前后化学基团的变化,发现其原理主要是树脂中C=C双键与单体的裂解与聚合,在添加少量光引发剂的条件下使双键转化率达到90%以上,固化效果优异。通过控制固化时间探索了固化层厚与曝光时间的关系,通过Beer-Lambert方程对光固化动力学进行了研究,为设置固化参数提供理论基础。研究发现曝光时间一定时,固化层厚在30μm~50μm范围内可以得到固化性能好的陶瓷生坯。(3)ZrO2陶瓷坯体脱脂烧结工艺研究。针对光固化陶瓷脱脂烧结容易出现裂纹的问题,优化改进脱脂烧结程序,获得了致密性优良、无缺陷的烧结件。对烧结后的ZrO2陶瓷进行表征,结果表明:打印层厚为30μm、固含量40 vol.%的浆料打印得到的陶瓷件平均收缩率为23.5%±0.1,致密度为5.934 g/cm3,相对密度达到97.68%,晶粒尺寸为276nm,维氏硬度达12.94±0.186 GPa,断裂韧性为5.63±0.015 MPa·m1/2。
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