利用水凝膠進(jìn)行陶瓷3D打印：邁向新一代技術(shù)材料
魔猴君 科技前沿 4小時(shí)前
不使用粉末或復(fù)合糊劑即可3D打印陶瓷？這是勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)博士生兼研究實(shí)習(xí)生Natalie Yaw的賭注，她最近在《無(wú)機(jī)化學(xué)前沿》雜志上發(fā)表了她的研究成果。其方法基于一種仍在興起的技術(shù)：水凝膠注入增材制造（HIAM）。
傳統(tǒng)鑄造的替代方案
陶瓷的用途廣泛，包括航空航天、電子和核能等。由于其優(yōu)異的耐熱性、耐化學(xué)性和機(jī)械性，它們是必不可少的材料。然而，它們的成型仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，而傳統(tǒng)的技術(shù)往往緩慢而復(fù)雜，靈活性不強(qiáng)。
為了克服這些問(wèn)題，增材制造特別有用，它可以提供更大的設(shè)計(jì)自由度并顯著減少浪費(fèi)。但打印陶瓷并不像打印塑料那么簡(jiǎn)單：大多數(shù)現(xiàn)有方法都需要帶電的陶瓷油墨，而這些油墨難以處理和穩(wěn)定。
Natalie Yaw研究的過(guò)程截然不同。首先打印一種基于光刻膠的聚合物凝膠，然后將其浸泡在金屬鹽溶液中，轉(zhuǎn)化為水凝膠。然后對(duì)這種帶離子的凝膠進(jìn)行燒制（或“燒結(jié)”），燒掉有機(jī)成分，并將鹽轉(zhuǎn)化為金屬氧化物，即最終陶瓷的真正成分。
印刷階段和陶瓷本身之間的分離有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，它避免了直接處理陶瓷粉末或高粘度油墨所帶來(lái)的困難。然后，通過(guò)調(diào)整凝膠的成分和所用鹽的類型，可以更好地控制零件的最終性能。
Yaw在他的文章中證明凝膠配方和金屬前體的選擇對(duì)打印部件的密度、孔隙率和強(qiáng)度有很大影響。通過(guò)改變這些參數(shù)，研究人員可以根據(jù)預(yù)期用途調(diào)整陶瓷的機(jī)械和微觀結(jié)構(gòu)特性，這對(duì)于定制工程來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)寶貴的資產(chǎn)。
另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：HIAM方法可以適用于多種材料，為混合甚至功能化陶瓷開(kāi)辟了道路。這種模塊化潛力使其成為研究新型高性能部件的特別有吸引力的技術(shù)，特別是在核能或航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域。
LLNL內(nèi)部的合作項(xiàng)目
這項(xiàng)研究也是跨學(xué)科合作的一個(gè)很好的例子。作為勞倫斯利夫蘭國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的暑期實(shí)習(xí)生，Natalie Yaw受益于研究員Maryline Kerlin的指導(dǎo)以及國(guó)家實(shí)驗(yàn)室激勵(lì)的環(huán)境。該框架允許年輕的研究人員進(jìn)行自己的實(shí)驗(yàn)，以主要作者的身份撰寫(xiě)她的第一篇科學(xué)文章，并進(jìn)行額外的測(cè)試以加強(qiáng)研究的穩(wěn)健性。
“在與其他學(xué)科的專家交流時(shí)，我多次有過(guò)‘尤里卡’的感覺(jué)，”娜塔莉·亞解釋道。“這些討論讓我從一個(gè)全新的角度看待我的項(xiàng)目。”
盡管HIAM工藝目前仍處于基礎(chǔ)研究階段，但它代表了重塑3D陶瓷制造的重要途徑。這種方法更易于獲取、更精確、更具可持續(xù)性，很可能會(huì)改變我們?cè)O(shè)計(jì)行業(yè)中最苛刻的材料的方式。
編譯整理：3dnatives
