李萌, 黃海露, 吳甲民, 劉春磊, 吳亞茹, 張景賢, 史玉升

漿料固相含量對(duì)數(shù)字光處理成形Si3N4陶瓷性能的影響

李萌1,2, 黃海露1,2, 吳甲民1,2, 劉春磊1,2, 吳亞茹1,2, 張景賢3, 史玉升1,2

(1. 華中科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430074; 2. 增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心, 武漢 430074; 3. 中國(guó)科學(xué)院 上海硅酸鹽研究所, 高性能陶瓷和超微結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200050)

隨著科技的不斷發(fā)展, Si3N4陶瓷在航空、機(jī)械、生物醫(yī)療等高新領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。本工作采用包覆助燒劑Al2O3-Y2O3后的Si3N4粉體為原材料, 利用數(shù)字光處理(Digital light processing, DLP)技術(shù)成功制備出Si3N4陶瓷, 并系統(tǒng)研究了漿料固相含量對(duì)Si3N4陶瓷漿料、DLP成形Si3N4陶瓷素坯和陶瓷性能的影響。研究表明, 漿料固相含量低于40.0% (體積分?jǐn)?shù))時(shí), 漿料在30 s–1剪切速率下的粘度均小于2 Pa·s, 可用于DLP成形。在這種情況下, 漿料的單層固化深度隨漿料固相含量的增加而減小。隨著漿料固相含量的增大, DLP成形Si3N4陶瓷的相對(duì)密度和抗彎強(qiáng)度先升高后降低。固相含量為37.5% (體積分?jǐn)?shù))的樣品獲得最大的相對(duì)密度和抗彎強(qiáng)度, 分別為89.8%和162.5 MPa, 較固相含量為32.5% (體積分?jǐn)?shù))的樣品分別提升了10%和16%。本研究通過(guò)對(duì)陶瓷漿料性能的優(yōu)化, 提升了DLP成形Si3N4陶瓷的性能, 為Si3N4等非氧化物陶瓷光固化成形奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

Si3N4; 數(shù)字光處理; 固相含量; 相對(duì)密度; 抗彎強(qiáng)度

Si3N4陶瓷是一種重要的結(jié)構(gòu)陶瓷材料, 具有高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕和耐磨損等優(yōu)異性能, 是生產(chǎn)生活中不可或缺的優(yōu)質(zhì)材料[1-6]。在航空航天領(lǐng)域, Si3N4陶瓷可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋等零部件, 特別適用于航天飛行器的表面防熱材料[7-9]; 在機(jī)械加工領(lǐng)域, Si3N4陶瓷具有高斷裂韌性、高耐熱性和出色的抗熱震性, 可用于切割很多難以切割的材料, 例如鑄鐵、硬鋼和鎳基合金[10-11]; 在生物醫(yī)療領(lǐng)域, Si3N4陶瓷具有良好的生物相容性和骨傳導(dǎo)性[12-13], 可用于制造人體植入骨; 在其他領(lǐng)域, 多孔Si3N4陶瓷具有高透波率、高機(jī)械強(qiáng)度, 可用于催化劑載體、高溫氣體過(guò)濾器和天線罩透波材料[14-15]。隨著生產(chǎn)應(yīng)用的要求越來(lái)越高, 各個(gè)領(lǐng)域?qū)μ沾闪慵螤畹囊笠苍絹?lái)越高, Si3N4陶瓷高強(qiáng)度、高硬度的特點(diǎn), 導(dǎo)致復(fù)雜結(jié)構(gòu)Si3N4陶瓷零件的加工制造十分困難。因此, 成形方法是目前影響Si3N4陶瓷應(yīng)用和發(fā)展的重要因素。

在上述背景下, 增材制造技術(shù)逐漸從各種制備方法中脫穎而出。與傳統(tǒng)工藝相比, 增材制造技術(shù)不需要模具、人工成本低、材料利用率高、材料精度高且材料性能穩(wěn)定, 非常適合制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)器件[16-19]。在增材制造技術(shù)領(lǐng)域里, 數(shù)字光處理技術(shù)(Digital light processing, DLP)相對(duì)于其他技術(shù)具有成形精度高、成形零件表面質(zhì)量好和力學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)[20-22], 因此在制備高性能陶瓷方面具有很大的潛力[23]。Shuai等[24]通過(guò)DLP技術(shù)制備出具有微細(xì)且復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)的Al2O3陶瓷, 燒結(jié)后陶瓷具有高密度且沒(méi)有明顯的氣孔和裂紋, 相對(duì)密度為95%, 并且晶格結(jié)構(gòu)支柱的直徑約為170 μm, 與通過(guò)傳統(tǒng)方法制備的Al2O3的力學(xué)強(qiáng)度相似。He等[25]采用DLP技術(shù), 成功制備了一種具有退刀槽的復(fù)雜三角ZrO2刀具和蜂窩陶瓷零件。燒結(jié)件的相對(duì)密度為97.14%, 維氏硬度和斷裂韌性分別為13.06 GPa和6.04 MPa·m1/2, 這些性能與通過(guò)傳統(tǒng)方法制備的ZrO2陶瓷性能相近?；瘞洷蟮萚26]采用DLP技術(shù)成形出金剛石結(jié)構(gòu)、菱形十二面體結(jié)構(gòu)和八角桁架結(jié)構(gòu)3種點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的羥基磷灰石(Ca10(PO4)6OH2, HA)陶瓷, 孔隙率為70%, 孔徑最小為200～300 μm, 平均抗壓強(qiáng)度最大為3.16 MPa。實(shí)驗(yàn)表明, DLP 制備的羥基磷灰石陶瓷具有優(yōu)異的生物相容性。

研究表明, 采用DLP技術(shù)制備的氧化物陶瓷均表現(xiàn)出與傳統(tǒng)方法相似的性能, 且DLP技術(shù)可以制備精度更高、結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的陶瓷零件, 但對(duì)于Si3N4等非氧化物陶瓷卻應(yīng)用得較少。Griffith等[27]制備了Si3N4陶瓷漿料, 研究發(fā)現(xiàn)光敏樹(shù)脂基陶瓷漿料的固化深度大于水基陶瓷漿料, 這是因?yàn)镾i3N4陶瓷粉體折射率較大, 而水的折射率一般小于光敏樹(shù)脂, 導(dǎo)致水和Si3N4陶瓷粉體的折射率差大于光敏樹(shù)脂和Si3N4陶瓷粉體的。當(dāng)紫外波長(zhǎng)為405 nm時(shí), Si3N4粉體的折射率(2.0978)大于常見(jiàn)的氧化物粉體的折射率(如SiO2(1.5571)、Al2O3(1.7555))[28], Si3N4陶瓷粉體與漿料介質(zhì)之間的折射率差較大, 造成Si3N4陶瓷漿料的固化深度較小, 難以滿足DLP成形要求。Ding等[29]在研究SiC時(shí)發(fā)現(xiàn), SiC對(duì)紫外光的吸收率遠(yuǎn)大于Al2O3、ZrO2等氧化物陶瓷, 所以SiC陶瓷難以通過(guò)光固化成形。Huang等[30]提出了一種Si3N4粉體表面氧化處理的方法, 通過(guò)表面氧化形成SiO2提高固化深度, 然后采用DLP方法成功制造出復(fù)雜形狀的Si3N4零件。SiO2折射率較低, 可以減小Si3N4粉體表面與光敏樹(shù)脂的折射率差, 且能夠降低Si3N4粉體的紫外光吸收率, 提高入射光在Si3N4陶瓷漿料中的穿透深度。該研究所用到的Si3N4陶瓷漿料的固相含量不高, 這對(duì)成形素坯的強(qiáng)度以及燒結(jié)后陶瓷的致密度和力學(xué)性能均存在不利影響。此外, 形成的SiO2層會(huì)降低燒結(jié)溫度, 同時(shí)也顯著降低了Si3N4陶瓷零件的力學(xué)性能、高溫性能以及透波性能。

Al2O3和Y2O3是Si3N4常用的助燒劑, 且折射率均小于Si3N4。本研究采用燒結(jié)助劑Al2O3-Y2O3來(lái)包覆Si3N4, 一方面, Al2O3和Y2O3能夠降低Si3N4粉體對(duì)紫外光的吸收并且減小Si3N4粉體與光敏樹(shù)脂的折射率差, 從而提高Si3N4粉體的光固化性能; 另一方面, 作為助燒劑, 引入Al2O3和Y2O3能夠優(yōu)化Si3N4的燒結(jié)致密化過(guò)程, 從而提高Si3N4陶瓷的力學(xué)性能。本工作利用Al2O3-Y2O3包覆Si3N4粉體, 通過(guò)DLP制備Si3N4陶瓷。研究不同固相含量的Si3N4陶瓷漿料的流變性能、單層固化深度, 并探索了漿料固相含量對(duì)DLP成形Si3N4陶瓷的微觀形貌、物相組成、收縮率、相對(duì)密度和抗彎強(qiáng)度的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料

原料為-Si3N4(純度>95% (質(zhì)量分?jǐn)?shù)), 天津碩科精細(xì)陶瓷有限公司)、Al(NO3)3·9H2O (上海阿拉丁生化科技有限公司)、Y(NO3)3·7H2O (上海阿拉丁生化科技有限公司)、氨水(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)。通過(guò)化學(xué)共沉淀法對(duì)Si3N4陶瓷粉體進(jìn)行表面包覆處理, 改性過(guò)程如下: 首先將100 g Si3N4粉體加入1 L去離子水中, 機(jī)械攪拌10 min, 使Si3N4粉體分散均勻; 然后配置1.5 mol/L的Al(NO3)3溶液和1.5 mol/L的Y(NO3)3溶液并加入到混合液中, 繼續(xù)攪拌30 min充分混合; 在攪拌狀態(tài)下逐滴加入NH3·H2O, 使NH3·H2O與Al(NO3)3和Y(NO3)3充分反應(yīng), 在Si3N4粉體表面沉淀生成Al(OH)3和Y(OH)3, 待充分反應(yīng)后進(jìn)行抽濾; 將得到的粉體放入干燥箱中烘干, 然后在1000 ℃氮?dú)夥諊蚂褵? h, 獲得Al2O3和Y2O3包覆的Si3N4陶瓷粉體。Al(NO3)3溶液和Y(NO3)3溶液的加入量為20 mL/100 g Si3N4。

1.2 Si3N4陶瓷的制備

以己二醇二丙烯酸酯(HDDA, 成都四城光電有限公司)、乙氧化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯(TMP3EOTA, 成都四城光電有限公司)為單體, Solsperse 41000(西班牙Lubrizol)為分散劑, 2,4,6(三甲基苯甲?；?二苯基氧化膦(TPO, 德國(guó)BASF)為光引發(fā)劑制備固相含量(體積分?jǐn)?shù))分別為32.5%、35.0%、37.5%、40.0%和42.5%的DLP用Si3N4陶瓷漿料。其中, HDDA與TMP3EOTA的質(zhì)量比為3 : 1, 分散劑為光敏樹(shù)脂單體的1.5% (質(zhì)量分?jǐn)?shù)), 光引發(fā)劑為Si3N4粉體的4.0% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

利用DLP成形設(shè)備(AUTOCREA-M, 北京十維科技有限公司)對(duì)Si3N4陶瓷漿料進(jìn)行DLP成形, 曝光時(shí)間8 s, 分層厚度25 μm, 得到Si3N4陶瓷素坯。最后對(duì)素坯進(jìn)行脫脂和高溫?zé)Y(jié)處理: 脫脂時(shí)以5 ℃/min速率從室溫升至200 ℃, 然后以0.5 ℃/min速率升至550 ℃, 保溫2 h, 隨爐冷卻; 高溫?zé)Y(jié)時(shí)將脫脂后的零件放入通有N2的高溫氣壓燒結(jié)爐中, 燒結(jié)氣壓為0.5 MPa, 在1800 ℃下保溫2 h, 然后隨爐冷卻, 得到Si3N4陶瓷。

1.3 性能表征

通過(guò)美國(guó)TA儀器公司的DHR-2混合型流變儀測(cè)試陶瓷漿料的粘度。在室溫條件下, 采用固定剪切速率模式和變化剪切速率模式進(jìn)行測(cè)試, 測(cè)試條件分別為剪切速率30 s–1, 測(cè)試時(shí)間60 s; 剪切速率0～100 s–1, 測(cè)試時(shí)間 100 s。通過(guò)綜合熱分析儀(Diamond TG/DTA, 上海鉑金–埃爾默儀器有限公司, 中國(guó))進(jìn)行測(cè)試, 測(cè)試氛圍為空氣, 升溫速率為10 ℃/min, 測(cè)試溫度范圍為0～600 ℃。通過(guò)日本島津公司生產(chǎn)的XRD-7000S型X射線衍射儀進(jìn)行物相分析, 掃描速度為10 (°)/min, 掃描角度范圍為2=10°～80°。通過(guò)日本電子株式會(huì)社生產(chǎn)的JSM-7600F場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察陶瓷粉體、成形陶瓷素坯及陶瓷樣品的微觀形貌, 測(cè)試樣品進(jìn)行300 s的噴金處理。根據(jù)混合法則計(jì)算樣品的理論密度, 采用阿基米德排水法測(cè)定樣品的實(shí)際密度。使用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量DLP成形陶瓷樣品燒結(jié)前后的尺寸來(lái)計(jì)算線收縮率。通過(guò)Zwick電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(AG-100KN, Zwick/Roell公司, 德國(guó))測(cè)試DLP成形Si3N4陶瓷樣品的三點(diǎn)抗彎強(qiáng)度, 根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)抗彎測(cè)試樣品尺寸要求, 本實(shí)驗(yàn)所打印的抗彎測(cè)試的素坯尺寸為35 mm×5 mm×5 mm, 測(cè)試樣品為5個(gè), 取其平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 漿料固相含量對(duì)Si3N4陶瓷漿料性能的影響

圖1(a, b)為原始Si3N4粉體的顯微形貌和粒徑分布圖, 如圖所示, 原始Si3N4粉體的顆粒大小比較均勻, 平均粒徑50= 2.81 μm。圖1(c, d)為用化學(xué)沉淀法包覆Al2O3-Y2O3助燒劑后的氮化硅粉體形貌及其粒徑分布圖。由圖可知, 經(jīng)過(guò)包覆處理后, 有顆粒附著在Si3N4粉體表面, 且粉體粒徑增大至50= 3.24 μm。圖1(e)為包覆后Si3N4粉體的能譜掃描圖, 除了Si和N元素, 粉體中還含有O、Al、Y元素, 且這三種元素分布基本與Si和N元素分布規(guī)律相同, 表明通過(guò)化學(xué)沉淀法, Al2O3-Y2O3助燒劑已成功包覆在Si3N4粉體表面。

圖1 Si3N4原粉和包覆后的Si3N4粉體的微觀形貌、粒徑分布圖以及能譜圖

(a) Microstructure of Si3N4raw powder; (b) Particle size distribution of Si3N4raw powder; (c) Microstructure of Si3N4powder after being coated; (d) Particle size distribution of Si3N4powder after being coated; (e) EDX mappings of Si3N4powder after being coated

圖2(a)為不同漿料固相含量的Si3N4陶瓷漿料在室溫下漿料粘度隨剪切速率的變化曲線。如圖所示, 隨著陶瓷漿料固相含量(體積分?jǐn)?shù))從32.5%增大到42.5%, 漿料由剪切變稀轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟凶兂? 陶瓷漿料的粘度逐漸增加。當(dāng)陶瓷漿料固相含量為42.5%時(shí), 漿料的粘度過(guò)高導(dǎo)致不滿足測(cè)試要求而出現(xiàn)不規(guī)則波動(dòng)。不同漿料在剪切速率為30 s–1下的粘度如圖2(b)所示, 隨著陶瓷漿料固相含量從30.0%增加到42.5%, 陶瓷漿料的粘度從0.054 Pa·s增大到13.549 Pa·s; 陶瓷漿料固相含量低于40.0%時(shí), 漿料的粘度均小于2 Pa·s, 滿足DLP成形要求。固相含量為30.0%的Si3N4陶瓷漿料粘度雖然很小, 但如果陶瓷漿料的固相含量過(guò)低, 在DLP成形后會(huì)由于有機(jī)物含量過(guò)多導(dǎo)致脫脂過(guò)程困難, 因此選擇固相含量為32.5%～40.0%的陶瓷漿料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖3為不同固相含量(體積分?jǐn)?shù))的Si3N4陶瓷漿料在激光能量密度為800 mJ/cm2下的單層固化深度曲線。由圖可知, 陶瓷漿料的單層固化深度隨著陶瓷漿料固相含量增加而減小, 這主要是因?yàn)殡S著Si3N4陶瓷粉體增多, 粉體對(duì)紫外光能量的吸收增加, 導(dǎo)致光敏樹(shù)脂吸收的能量減少; 同時(shí), 光敏樹(shù)脂隨著粉體的增加而減少, 這些都造成了固化反應(yīng)率降低。由圖3可知, 陶瓷漿料固相含量越高, 對(duì)固化深度的影響越大, 35%和32.5%的漿料在相同的激光能量密度下單層固化深度接近, 但漿料固相含量從37.5%升到40%時(shí), 單層固化深度顯著降低。在激光能量密度為800 mJ/cm2下, 隨著陶瓷漿料固相含量從32.5%增大到35.0%, 漿料單層固化深度從49.0 μm略微減少到48.3 μm; 當(dāng)陶瓷漿料固相含量增大至40.0%, 漿料單層固化深度減少到42.0 μm。

圖2 不同固相含量(體積分?jǐn)?shù))的Si3N4漿料在不同剪切速率下的粘度(a)和在剪切速率為30 s–1下的粘度(b)

圖3 不同固相含量(體積分?jǐn)?shù))的Si3N4陶瓷漿料在激光能量密度為800 mJ/cm2下的單層固化深度

2.2 漿料固相含量對(duì)Si3N4陶瓷素坯及陶瓷性能的影響

在光學(xué)顯微鏡下觀察不同固相含量的Si3N4陶瓷素坯側(cè)面形貌, 如圖4所示。從圖中可以觀察到顏色不同的分層, 但側(cè)面整體上十分平整。在固相含量為32.5%的Si3N4陶瓷素坯中, 分層不明顯, 說(shuō)明層與層之間的結(jié)合良好; 在固相含量為35.0%和37.5%的Si3N4陶瓷素坯中, 分層較為清晰, 并在層與層之間出現(xiàn)較少的分層孔隙; 在固相含量為40.0%的Si3N4陶瓷素坯中, 分層更加清晰且存在明顯的分層缺陷。總的來(lái)說(shuō), 隨著陶瓷漿料固相含量的增加, Si3N4陶瓷素坯層與層之間的結(jié)合減弱, 出現(xiàn)更多的分層缺陷。這主要是因?yàn)殡S著漿料固相含量增大, 漿料單層固化深度逐漸減小, 剪切粘度逐漸上升, 不利于DLP成形。除此之外, 漿料固相含量增加還會(huì)引起漿料粘度的增大, 容易在DLP成形過(guò)程中出現(xiàn)涂覆不平整而引入氣孔等缺陷,導(dǎo)致較大的分層問(wèn)題。

燒結(jié)后的不同漿料固相含量的Si3N4陶瓷的物相組成如圖5所示。Si3N4陶瓷樣品中的主晶相均為-Si3N4相, 沒(méi)有-Si3N4相, 說(shuō)明-Si3N4相已完全轉(zhuǎn)變?yōu)?Si3N4相, 除此之外, 在燒結(jié)樣品中還存在Y2Si3O3N4相。隨著固相含量的增加, Y2Si3O3N4相衍射峰增強(qiáng), 表明Y2Si3O3N4相增多。這是因?yàn)殡S著固相含量增加, Si3N4陶瓷粉體含量增大, 相應(yīng)的助燒劑含量也增多, 且Si3N4陶瓷粉體之間距離縮短, 因此形成的液相也更充分, 在Si3N4的析出過(guò)程中, 越來(lái)越多的Y和Al元素固溶到Si3N4陶瓷中, 生成了Y2Si3O3N4相。

圖4 不同固相含量(體積分?jǐn)?shù))的Si3N4陶瓷素坯側(cè)面的光學(xué)顯微照片

(a) 32.5%; (b) 35.0%; (c) 37.5%; (d) 40.0%

圖6為經(jīng)1800 ℃燒結(jié)2 h制備出的不同固相含量的Si3N4陶瓷燒結(jié)件表面的SEM照片。如圖所示, 隨著固相含量增加, 燒結(jié)件的孔隙先減小后增大。這是因?yàn)殡S著固相含量增加, Si3N4陶瓷粉體含量增加, 分解的光敏樹(shù)脂減少, 粉體之間間隙減少, 因此燒結(jié)后形成的孔隙也相對(duì)減少, 但隨著固相含量繼續(xù)增加, 漿料粘度增大, 在涂覆過(guò)程中引入了氣孔等缺陷, 導(dǎo)致DLP成形素坯出現(xiàn)缺陷, 因此孔隙又重新出現(xiàn)。圖中也出現(xiàn)了明顯的棒狀-Si3N4晶粒, 說(shuō)明不同固相含量的Si3N4陶瓷素坯經(jīng)1800 ℃燒結(jié)2 h, 都能較好地完成-Si3N4向-Si3N4的轉(zhuǎn)變且-Si3N4發(fā)生了晶粒生長(zhǎng)。

圖5 不同固相含量(體積分?jǐn)?shù))的Si3N4陶瓷的物相組成

(a) 32.5%; (b) 35.0%; (c) 37.5%; (d) 40.0%

圖7為不同固相含量的Si3N4陶瓷燒結(jié)件斷面的SEM照片, 圖中所有的燒結(jié)件都還存在孔隙, 同時(shí), DLP成形素坯中的分層現(xiàn)象也隨著陶瓷顆粒的晶粒重排而消失。

圖8(a)為經(jīng)1800 ℃燒結(jié)2 h制備的不同固相含量的Si3N4陶瓷燒結(jié)件的收縮率。由圖可知, 隨著陶瓷漿料固相含量增加, DLP成形Si3N4陶瓷三個(gè)方向上的線收縮率均減少, 且軸方向的收縮率(從36.1%降低到32.0%)均高于/方向的收縮率(從30.0%降低到26.0%)。DLP成形Si3N4陶瓷燒結(jié)后產(chǎn)生收縮主要是因?yàn)楣饷魳?shù)脂分解留下了大量孔隙, 隨著陶瓷漿料固相含量增加, 陶瓷素坯中的光敏樹(shù)脂含量減少, 因而分解后留下的孔隙也減少, 導(dǎo)致收縮率逐漸減小。軸方向的收縮率均高于/方向, 這是由DLP成形技術(shù)分層成形的原理造成的: 層與層之間陶瓷粉體間隙較大,/平面由于面曝光的原理, 粉體之間間隙較小, 在重力作用下使軸方向收縮增大。

圖8(b)為經(jīng)1800 ℃燒結(jié)2 h制備出的不同固相含量的Si3N4陶瓷的相對(duì)密度和抗彎強(qiáng)度曲線。隨著固相含量增大, Si3N4陶瓷的相對(duì)密度先升高后降低(從81.3%增大到89.8%, 然后降低到87.4%), 抗彎強(qiáng)度也呈現(xiàn)相同的規(guī)律(從136.5 MPa增大到162.5 MPa, 然后降低到152.3 MPa)。從圖6可知, 隨著固相含量增大, 燒結(jié)件的孔隙逐漸減小, 因此相對(duì)密度逐漸增大, 但固相含量大于37.5%時(shí), 陶瓷漿料粘度高且固化深度低, 不利于DLP成形, 成形時(shí)引入缺陷會(huì)形成新的孔洞, 因此相對(duì)密度有所下降。隨著固相含量的增大, Si3N4陶瓷粉體間距離縮短, 使孔隙逐漸減小, 抗彎強(qiáng)度上升。然而, 當(dāng)固相含量達(dá)到40%時(shí), 漿料的粘度增大, 單層固化深度減小, 不利于DLP成形, 且更容易在涂覆時(shí)引入氣孔等缺陷, 導(dǎo)致成形件層間結(jié)合不強(qiáng), 因此最終的陶瓷強(qiáng)度反而有所下降。

(a) 32.5%; (b) 35.0%; (c) 37.5%; (d) 40.0%

3 結(jié)論

本工作系統(tǒng)研究了陶瓷漿料固相含量對(duì)漿料的流變性能、固化性能以及DLP成形Si3N4陶瓷的影響, 主要結(jié)論如下:

1)隨著陶瓷漿料固相含量的增加, 陶瓷漿料的粘度逐漸增大, 由剪切變稀轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟凶兂? 并且陶瓷漿料的單層固化深度隨之減小。陶瓷漿料固相含量低于40.0%時(shí)均滿足DLP成形要求。

2)隨著陶瓷漿料固相含量的增加, 陶瓷素坯中層與層之間的結(jié)合減弱, 出現(xiàn)越來(lái)越多的分層缺陷。同時(shí), 所有的燒結(jié)件都存在孔隙, 但DLP成形素坯中的分層現(xiàn)象隨著陶瓷顆粒的晶粒重排而消失。

3)隨著陶瓷漿料固相含量的增加, DLP成形Si3N4陶瓷在三個(gè)方向上的線收縮率逐漸減小, DLP成形制備的Si3N4陶瓷的相對(duì)密度先升高后降低, 抗彎強(qiáng)度也呈現(xiàn)相同的規(guī)律。陶瓷漿料固相含量為37.5%時(shí), Si3N4陶瓷的相對(duì)密度為89.8%, 抗彎強(qiáng)度達(dá)到162.5 MPa。

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Effect of Solid Loading of Slurry on Properties of Si3N4Ceramics Formed by Digital Light Processing

LI Meng1,2, HUANG Hailu1,2, WU Jiamin1,2, LIU Chunlei1,2, WU Yaru1,2, ZHANG Jingxian3, SHI Yusheng1,2

(1. State Key Laboratory of Materials Processing and Die & Mould Technology, School of Materials Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. Engineering Research Center of Ceramic Materials for Additive Manufacturing, Ministry of Education, Wuhan 430074, China; 3. State Key Laboratory of High Performance Ceramics and Superfine Microstructure, Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China)

With the continuous development of science and technology, Si3N4ceramics are playing an increasingly important role in high-tech fields such as aviation machinery, biology and medical treatment. In this work, Si3N4ceramics were successfully prepared by digital light processing (DLP) technology using Si3N4powder coated with Al2O3-Y2O3as raw material. Effects of solid loading of slurry on the performance of Si3N4ceramic slurry, Si3N4ceramic green parts and Si3N4ceramics were systematically studied. The results showed that when the solid loading of slurry was less than 40.0% (in volume), its viscosity was less than 2 Pa·s at shear rate of 30 s–1, which can be used for DLP forming. In that case, the single curing depth of the slurry decreased with the increase of solid loading of the slurry, while the relative density and flexural strength of Si3N4ceramics formed by DLP increased firstly and then decreased. The relative density and flexural strength reached the maximum of 89.8% and 162.5 MPa at solid loading of 37.5% (in volume), which were 10% and 16% higher than those with solid loading of 32.5% (in volume), respectively. In this work, the properties of Si3N4ceramics formed by DLP were optimized by determining the best solid loading, which laid the experimental foundation for the photocuring of non-oxide ceramics such as Si3N4.

Si3N4; digital light processing; solid loading; relative density; flexural strength

TQ174

A

1000-324X(2022)03-0310-07

10.15541/jim20210609

2021-10-02;

2021-12-08;

2021-12-24

國(guó)家自然科學(xué)基金(51975230); 湖北省技術(shù)創(chuàng)新專(zhuān)項(xiàng)重大項(xiàng)目(2019AAA002); 高性能陶瓷和超微結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(SKL201903SIC)

National Natural Science Foundation of China (51975230); Major Special Projects of Technological Innovation in Hubei Province (2019AAA002); Opening Project of State Key Laboratory of High Performance Ceramics and Superfine Microstructures (SKL201903SIC)

李萌(1996–), 女, 碩士研究生. E-mail: 819448243@qq.com

LI Meng (1996–), female, Master candidate. E-mail: 819448243@qq.com

吳甲民, 副教授. E-mail: jiaminwu@hust.edu.cn

WU Jiamin, associate professor. E-mail: jiaminwu@hust.edu.cn