Deurbraak in aluminapoeier in 3D-drukmateriaal
Stap in die laboratorium van die Northwestern Polytechnical University, 'n liguithardingsapparaat3D-drukker gons effens, en die laserstraal beweeg presies in die keramiekslurry. Net 'n paar uur later word 'n keramiekkern met 'n komplekse struktuur soos 'n doolhof volledig aangebied – dit sal gebruik word om die turbinelemme van vliegtuigenjins te giet. Professor Su Haijun, wat in beheer van die projek is, het na die delikate komponent gewys en gesê: "Drie jaar gelede het ons nie eens aan sulke presisie gedink nie. Die belangrikste deurbraak is versteek in hierdie onopvallende aluminapoeier."
Eens op 'n tyd was alumina-keramiek soos 'n "probleemstudent" in die veld van3D-drukwerk– hoë sterkte, hoë temperatuurweerstand, goeie isolasie, maar sodra dit gedruk was, het dit baie probleme gehad. Onder tradisionele prosesse het aluminapoeier swak vloeibaarheid en blokkeer dit dikwels die drukkop; die krimpkoers tydens sintering kan so hoog as 15%-20% wees, en die dele wat met groot moeite gedruk is, sal vervorm en kraak sodra hulle verbrand word; komplekse strukture? Dis selfs meer van 'n luukse. Ingenieurs is bekommerd: “Hierdie ding is soos 'n koppige kunstenaar, met wilde idees, maar nie genoeg hande nie.”
1. Russiese formule: Om "keramiekpantser" op diealuminiummatriks
Die keerpunt het eers gekom van die rewolusie in materiaalontwerp. In 2020 het materiaalwetenskaplikes van die Nasionale Universiteit van Wetenskap en Tegnologie (NUST MISIS) van Rusland 'n ontwrigtende tegnologie aangekondig. In plaas daarvan om bloot aluminiumoksiedpoeier te meng, het hulle hoë-suiwerheid aluminiumpoeier in 'n outoklaaf gesit en hidrotermiese oksidasie gebruik om 'n laag aluminiumoksiedfilm met 'n presies beheerbare dikte op die oppervlak van elke aluminiumdeeltjie te "kweek", net soos om 'n laag nano-vlak-pantser op die aluminiumbal te plaas. Hierdie "kern-dopstruktuur"-poeier toon ongelooflike prestasie tydens laser 3D-drukwerk (SLM-tegnologie): die hardheid is 40% hoër as dié van suiwer aluminiummateriale, en die hoëtemperatuurstabiliteit word aansienlik verbeter, wat direk aan lugvaartgraadvereistes voldoen.
Professor Alexander Gromov, die projekleier, het 'n lewendige analogie gemaak: “In die verlede was saamgestelde materiale soos slaaie – elkeen was in beheer van sy eie besigheid; ons poeiers is soos toebroodjies – aluminium en alumina byt mekaar laag vir laag, en nie een kan sonder die ander klaarkom nie.” Hierdie sterk koppeling laat die materiaal toe om sy bekwaamheid in vliegtuigenjinonderdele en ultraligte bakrame te toon, en begin selfs die gebied van titaniumlegerings uitdaag.
2. Chinese wysheid: die magie van keramiek “stel”
Die grootste pynpunt van alumina-keramiekdrukwerk is sinterkrimping – verbeel jou jy knie 'n kleifigurum versigtig, en dit krimp tot die grootte van 'n aartappel sodra dit die oond binnegaan. Hoeveel sou dit ineenstort? Vroeg in 2024 het die resultate wat deur professor Su Haijun se span aan die Northwestern Polytechnical University in die Journal of Materials Science & Technology gepubliseer is, die bedryf aan die gang gesit: hulle het 'n amper-nul-krimpende alumina-keramiekkern gekry met 'n krimpkoers van slegs 0.3%.
Die geheim is om by te voegaluminiumpoeierna alumina en speel dan 'n presiese "atmosfeermagie".
Voeg aluminiumpoeier by: Meng 15% fyn aluminiumpoeier in die keramiekmengsel
Beheer die atmosfeer: Gebruik argongasbeskerming aan die begin van sintering om te verhoed dat aluminiumpoeier oksideer.
Slim skakeling: Wanneer die temperatuur tot 1400°C styg, skakel die atmosfeer skielik na lug oor
In-situ oksidasie: Aluminiumpoeier smelt onmiddellik in druppels en oksideer tot aluminiumoksied, en volume-uitsetting neutraliseer sametrekking
3. Bindmiddelrevolusie: aluminiumpoeier verander in "onsigbare gom"
Terwyl die Russiese en Chinese spanne hard werk aan poeiermodifikasie, het 'n ander tegniese roete stilweg volwasse geword – die gebruik van aluminiumpoeier as 'n bindmiddel.3D-drukwerkbindmiddels is meestal organiese harse, wat holtes sal laat wanneer hulle tydens ontvettering verbrand word. 'n Plaaslike span se 2023-patent volg 'n ander benadering: om aluminiumpoeier in 'n watergebaseerde bindmiddel te maak47.
Tydens die drukwerk spuit die spuitstuk akkuraat "gom" wat 50-70% aluminiumpoeier bevat op die aluminiumoksiedpoeierlaag. Wanneer dit by die ontvettingsfase kom, word vakuum getrek en suurstof deurgelaat, en die aluminiumpoeier word geoksideer tot aluminiumoksied by 200-800°C. Die eienskap van volume-uitsetting van meer as 20% laat dit toe om die porieë aktief te vul en die krimpkoers tot minder as 5% te verminder. "Dit is gelykstaande aan die aftakeling van die steierwerk en die bou van 'n nuwe muur terselfdertyd, en vul jou eie gate!" het 'n ingenieur dit so beskryf.
4. Die kuns van deeltjies: die oorwinning van sferiese poeier
Die "voorkoms" van aluminapoeier het onverwags die sleutel tot deurbrake geword – hierdie voorkoms verwys na die deeltjievorm. 'n Studie in die tydskrif "Open Ceramics" in 2024 het die werkverrigting van sferiese en onreëlmatige aluminapoeiers in gesmelte afsetting (CF³) drukwerk vergelyk5:
Sferiese poeier: vloei soos fyn sand, die vulkoers oorskry 60%, en die drukwerk is glad en syerig.
Onreëlmatige poeier: vas soos growwe suiker, die viskositeit is 40 keer hoër, en die spuitstuk is geblokkeer om die lewe te betwyfel
Nog beter, die digtheid van die onderdele wat deur sferiese poeier gedruk word, oorskry maklik 89% na sintering, en die oppervlakafwerking voldoen direk aan die standaard. “Wie gebruik nou nog “lelike” poeier? Vloeibaarheid is gevegseffektiwiteit!” ’n Tegnikus het geglimlag en afgesluit5.
Toekoms: Sterre en see bestaan saam met klein en mooi
Die 3D-drukrevolusie van aluminapoeier is nog lank nie verby nie. Die militêre industrie het die voortou geneem in die toepassing van byna-nul-krimpkerns om turbowaaierlemme te vervaardig; die biomediese veld het 'n oog gekry op die bioversoenbaarheid daarvan en begin om pasgemaakte beenimplantate te druk; die elektroniese industrie het hitte-afvoersubstrate geteiken – die termiese geleidingsvermoë en nie-elektriese geleidingsvermoë van alumina is immers onvervangbaar.