利用水凝膠進行陶瓷3D打?。哼~向新一代技術材料

魔猴君  科技前沿   49天前

不使用粉末或復合糊劑即可3D打印陶瓷？這是勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)博士生兼研究實習生Natalie Yaw的賭注，她最近在《無機化學前沿》雜志上發表了她的研究成果。其方法基于一種仍在興起的技術：水凝膠注入增材制造（HIAM）。

傳統鑄造的替代方案

陶瓷的用途廣泛，包括航空航天、電子和核能等。由于其優異的耐熱性、耐化學性和機械性，它們是必不可少的材料。然而，它們的成型仍然是一個挑戰，而傳統的技術往往緩慢而復雜，靈活性不強。

為了克服這些問題，增材制造特別有用，它可以提供更大的設計自由度并顯著減少浪費。但打印陶瓷并不像打印塑料那么簡單：大多數現有方法都需要帶電的陶瓷油墨，而這些油墨難以處理和穩定。

Natalie Yaw研究的過程截然不同。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，轉化為水凝膠。然后對這種帶離子的凝膠進行燒制（或“燒結”），燒掉有機成分，并將鹽轉化為金屬氧化物，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優點。首先，它避免了直接處理陶瓷粉末或高粘度油墨所帶來的困難。然后，通過調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打印部件的密度、孔隙率和強度有很大影響。通過改變這些參數，研究人員可以根據預期用途調整陶瓷的機械和微觀結構特性，這對于定制工程來說是一項寶貴的資產。

另一個優點是：HIAM方法可以適用于多種材料，為混合甚至功能化陶瓷開辟了道路。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，特別是在核能或航空發動機領域。

LLNL內部的合作項目

這項研究也是跨學科合作的一個很好的例子。作為勞倫斯利夫蘭國家實驗室的暑期實習生，Natalie Yaw受益于研究員Maryline Kerlin的指導以及國家實驗室激勵的環境。該框架允許年輕的研究人員進行自己的實驗，以主要作者的身份撰寫她的第一篇科學文章，并進行額外的測試以加強研究的穩健性。

“在與其他學科的專家交流時，我多次有過‘尤里卡’的感覺，”娜塔莉·亞解釋道?！斑@些討論讓我從一個全新的角度看待我的項目?！?/span>

盡管HIAM工藝目前仍處于基礎研究階段，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、更具可持續性，很可能會改變我們設計行業中最苛刻的材料的方式。

編譯整理：3dnatives