增材制造SiC基陶瓷及其强韧化研究进展

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作者 陈张伟 屈飘 季泽宇 《航空制造技术》 北大核心 2025年第8期26-43,共18页

碳化硅(SiC)材料具有轻质、高强、热稳定性良好等优异特性,广泛应用于国防军工、航空航天、能源环保等诸多领域。然而SiC陶瓷在异形结构成形能力和成形性能方面相互制约。传统制造方法可获得高性能的SiC陶瓷件,但难以成形复杂结构。增... 碳化硅(SiC)材料具有轻质、高强、热稳定性良好等优异特性,广泛应用于国防军工、航空航天、能源环保等诸多领域。然而SiC陶瓷在异形结构成形能力和成形性能方面相互制约。传统制造方法可获得高性能的SiC陶瓷件,但难以成形复杂结构。增材制造具有成形复杂结构的优势,但增材制造SiC基陶瓷存在高强和高韧一体化成形性能的挑战。因此,研究高精度、高强度、高韧性的SiC基复杂结构陶瓷的增材制造具有重要意义。本文系统性总结当前SiC基陶瓷的增材制造原理与方法,并对连续纤维、短切纤维/晶须、夹层结构增韧增材制造成形SiC基陶瓷等的问题和难点进行分析与讨论。最后针对SiC基陶瓷增材制造的发展趋势进行展望,希望为推动大尺寸、跨尺度、复杂结构的SiC基陶瓷部件高精度、高强度、高韧性一体化增材制造成形提供参考。 展开更多

关键词 碳化硅陶瓷 增材制造 强韧化 断裂韧性 抗弯强度

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石墨及其复合材料3D打印研究进展

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作者 何玉玉 刘轶 +7 位作者 张芸芸 周志军 刘于青 王勇 罗凯 剡秀秀 曹继伟 陈张伟 《材料工程》 北大核心 2025年第3期35-43,共9页

3D打印作为一种新型制造技术,已被广泛应用于各类材料的成型制造,并展现出巨大的发展潜力。石墨具有优良的耐高温性、导电性、导热性、热稳定性和化学稳定性,在冶金化工、能源行业、航空航天、核工业等领域得到广泛应用。以石墨及其复... 3D打印作为一种新型制造技术,已被广泛应用于各类材料的成型制造,并展现出巨大的发展潜力。石墨具有优良的耐高温性、导电性、导热性、热稳定性和化学稳定性,在冶金化工、能源行业、航空航天、核工业等领域得到广泛应用。以石墨及其复合材料作为基体,利用3D打印技术生产制造石墨基产品,能够缩短生产周期、提高材料利用率、减少石墨粉尘污染,为高性能复杂形状石墨的个性化定制及产业化应用提供了一种高效经济的综合解决方案。本文重点阐述了石墨及其复合材料的3D打印技术,分析了各种技术的优缺点,并介绍了3D打印成型的石墨产品的性能和应用,论述了石墨及其复合材料在3D打印领域发展过程中的机遇和挑战,并对未来的发展提出了展望和建议,石墨3D打印技术的发展还需开发扩展石墨复合材料的种类和新型打印装备及其配套设备,并在传统石墨的基础上进行3D打印石墨后处理技术研发。 展开更多

关键词 石墨3D打印 尺寸精度 微波吸收 石墨电极

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基于粉末成形的激光增材制造陶瓷技术研究进展 被引量：7

3

作者 曹继伟 王沛 +3 位作者 刘志远 刘长勇 吴甲民 陈张伟 《无机材料学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2022年第3期241-254,共14页

陶瓷以其优异的热物理化学性能在航空航天、能源、环保以及生物医疗等领域具有极大的应用潜力。随着这些领域相关技术的快速发展,其核心零件部件外形结构设计日益复杂,内部组织逐步走向定制化、梯度化。陶瓷具有硬度高、脆性大等特点,... 陶瓷以其优异的热物理化学性能在航空航天、能源、环保以及生物医疗等领域具有极大的应用潜力。随着这些领域相关技术的快速发展,其核心零件部件外形结构设计日益复杂,内部组织逐步走向定制化、梯度化。陶瓷具有硬度高、脆性大等特点,较难通过传统的加工成形方法实现异形结构零件的制造,最终限制了陶瓷材料的工程应用范围。激光增材制造技术作为一种快速发展的增材制造技术,在复杂精密陶瓷零部件的制造中具有显著优势:无模、精度高、响应快以及周期短,同时能够实现陶瓷零件组织结构灵活调配,有望解决上述异形结构陶瓷零件成形问题。本文综述了多种基于粉末成形的激光增材制造陶瓷技术:基于粉末床熔融的激光选区烧结和激光选区熔化;基于定向能量沉积的激光近净成形技术。主要讨论了各类激光增材陶瓷技术的成形原理与特点,综述了激光选区烧结技术中陶瓷坯体后处理致密化工艺以及激光选区熔化和激光近净成形技术这两种技术中所打印陶瓷坯体基体裂纹开裂行为分析及其控制方法的研究进展,对比分析了激光选区烧结、激光选区熔化以及激光近净成形技术成形陶瓷零件的技术特征,最后展望了激光增材制造陶瓷技术的未来发展趋势。 展开更多

关键词 激光增材制造 激光选区烧结 激光选区熔化 激光近净成形技术 陶瓷 综述

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增材制造柔性压电材料的现状与展望

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作者 魏相霞 张晓飞 +1 位作者 徐凯龙 陈张伟 《无机材料学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2024年第9期965-978,共14页

柔性压电材料作为一类重要的功能材料,具有韧性好、可塑性强、轻量化等优点,可以实现机械能和电能的相互转换,并贴附在人体上实时获取人体或环境信息,在运动检测、健康监测、人机交互等领域具有广阔的应用前景。为满足人们对柔性压电材... 柔性压电材料作为一类重要的功能材料,具有韧性好、可塑性强、轻量化等优点,可以实现机械能和电能的相互转换,并贴附在人体上实时获取人体或环境信息,在运动检测、健康监测、人机交互等领域具有广阔的应用前景。为满足人们对柔性压电材料结构不断提高的要求,增材制造技术被广泛用于制造压电材料。该技术有望突破传统压电材料加工和生产的技术瓶颈,极大提升柔性压电产品的结构自由度和性能,从而推动柔性压电材料应用的变革。本文在介绍压电材料分类和性能的基础上,系统阐述了增材制造柔性压电材料的主要工艺种类,包括熔融沉积、墨水直写、选择性激光烧结、电辅助直写、光固化和墨水喷射等;总结了增材制造柔性压电材料的结构,主要有多层结构、多孔结构和叉指结构;介绍了增材制造柔性压电材料在能量收集、压电传感器、人机交互和生物工程中的应用进展;最后总结和展望了增材制造柔性压电材料面临的挑战以及未来发展趋势。 展开更多

关键词 柔性压电材料 增材制造 陶瓷 结构 功能应用 综述

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聚合物前驱体转化陶瓷增材制造技术研究趋势与挑战 被引量：4

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作者 苑景坤 熊书锋 陈张伟 《无机材料学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2023年第5期477-488,共12页

近年来,增材制造技术作为一种新兴的制造技术受到了广泛关注。该技术在高性能陶瓷材料的成型制造领域具有巨大的发展潜力,有望突破传统陶瓷加工和生产的技术瓶颈,极大提升高性能陶瓷产品的设计和制备的自由度,从而为高性能陶瓷材料制造... 近年来,增材制造技术作为一种新兴的制造技术受到了广泛关注。该技术在高性能陶瓷材料的成型制造领域具有巨大的发展潜力,有望突破传统陶瓷加工和生产的技术瓶颈,极大提升高性能陶瓷产品的设计和制备的自由度,从而为高性能陶瓷材料制造技术的发展提供变革性的推动力。前驱体转化陶瓷通过化学方法制得聚合物,再经热处理转化为陶瓷材料。聚合物前驱体充分利用了自身良好的可加工性特点,实现了目标结构的预成型,并通过热处理工艺获得传统陶瓷工艺难以获得的先进陶瓷材料。而聚合物前驱体材料与增材制造技术的结合更受到了极大关注。本文在介绍聚合物前驱体增材制造技术特点的基础上,系统阐述了聚合物前驱体增材制造技术的研究与应用前沿的现状与趋势,并分析了聚合物前驱体增材制造技术面对的挑战以及未来发展方向。 展开更多

关键词 聚合物前驱体 前驱体转换陶瓷 增材制造 3D打印 先进陶瓷 综述

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增材制造压电陶瓷的现状与展望 被引量：8

6

作者 刘凯 孙策 +9 位作者 史玉升 胡佳明 张庆庆 孙云飞 章嵩 涂溶 闫春泽 陈张伟 黄尚宇 孙华君 《无机材料学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2022年第3期278-288,共11页

压电陶瓷作为一类重要的功能陶瓷材料,具备高强度、高硬度、耐腐蚀等优点,可实现机械能和电能间的相互转换,常被用于制备传感器、驱动器、电容器等压电器件,在海洋探测、生物医疗、电子通讯等高端装备中发挥着重要作用。针对高端技术领... 压电陶瓷作为一类重要的功能陶瓷材料,具备高强度、高硬度、耐腐蚀等优点,可实现机械能和电能间的相互转换,常被用于制备传感器、驱动器、电容器等压电器件,在海洋探测、生物医疗、电子通讯等高端装备中发挥着重要作用。针对高端技术领域对压电功能器件智能化、集成化、轻量化的发展需求,压电陶瓷的外形和结构越来越复杂。注浆、注射、模压、切割等传统的压电陶瓷制造工艺,大多需借助模具或刀具完成,很难甚至无法制造具有中空、悬垂等复杂结构的压电陶瓷,制约了压电功能器件的进一步发展。增材制造技术基于逐层累加原理可实现任意复杂结构快速定制,具有成型效率高、无需模具等优点,可满足个性化、整体化、复杂化制造需求,近年来受到国内外压电陶瓷领域研究人员的广泛关注。本文从粉体、浆料、块材三种原材料形态角度,综述了当前增材制造压电陶瓷的主要工艺种类及发展现状,综合对比了各种工艺成型特点;介绍了增材制造压电陶瓷在不同领域的应用进展;最后,总结和展望了增材制造压电陶瓷所面临的挑战和未来可能的发展趋势。 展开更多

关键词 压电陶瓷 增材制造 工艺种类 结构 应用 综述

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“陶瓷增材制造”专题序言

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作者 陈张伟 《材料工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第7期F0002-F0002,共1页

先进陶瓷材料以其优异的力学性能和化学稳定性以及各种声光电磁热特性,在各个领域获得广泛应用。随着当前科技水平的不断提高,特别是在尖端应用场景中,对先进陶瓷部件的结构和功能要求也越来越高,其结构复杂化、功能多元化导致传统制造... 先进陶瓷材料以其优异的力学性能和化学稳定性以及各种声光电磁热特性,在各个领域获得广泛应用。随着当前科技水平的不断提高,特别是在尖端应用场景中,对先进陶瓷部件的结构和功能要求也越来越高,其结构复杂化、功能多元化导致传统制造成型方法存在一定局限性,而增材制造的出现为解决上述问题提供了新思路。陶瓷增材制造领域涉及材料、化学、机械、控制、光学、力学等相关交叉学科,是一个新兴研究方向,在机械电子、通讯、能源环保、航空航天、生物医疗、艺术珠宝等领域极具发展前景。 展开更多

关键词 增材制造 功能多元化 生物医疗 航空航天 交叉学科 成型方法 结构复杂化 先进陶瓷材料

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基于TPMS的多孔结构力学性能研究 被引量：7

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作者 王茂华 段明德 +3 位作者 杨子威 张壮雅 王沛 韩宗政 《机械强度》 CAS CSCD 北大核心 2022年第2期424-431,共8页

为探究不同TPMS孔隙结构对多孔支架力学性能的影响,采用隐函数表达的TPMS作为构建微观多孔结构的基础孔隙单元,通过定义距离函数构建不同结构特征的TPMS多孔支架,并应用SLM制备了AlSi10Mg多孔支架;采用有限元法分析和力学试验方法,研究... 为探究不同TPMS孔隙结构对多孔支架力学性能的影响,采用隐函数表达的TPMS作为构建微观多孔结构的基础孔隙单元,通过定义距离函数构建不同结构特征的TPMS多孔支架,并应用SLM制备了AlSi10Mg多孔支架;采用有限元法分析和力学试验方法,研究不同孔隙结构特征对多孔TPMS支架力学性能的影响,分析不同距离函数k值对Primitive(P)和F-RD多孔结构支架孔隙率、弹性模量、屈服强度和失效的影响规律。有限元分析及试验结果表明随着距离函数k的增加,P单元多孔支架的弹性模量和屈服强度呈上升趋势,而FRD单元多孔支架弹性模量和屈服强度则呈下降趋势,且相对于FRD单元,P单元构建的多孔支架更容易被压溃,通过对TPMS的类型及函数k值的控制,可有效的对多孔支架孔隙率、弹性模量以及屈服强度进行调节。研究结果为组织工程骨支架设计提供了相关依据。 展开更多

关键词 TPMS 孔隙结构 力学性能 多孔支架 距离函数k

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陶瓷光固化3D打印技术研究进展 被引量：50

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作者 刘雨 陈张伟 《材料工程》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第9期1-12,共12页

综述三类主要的陶瓷光固化3D打印技术,即立体光固化(SL)、数字光处理(DLP)和双光子聚合(TPP)的工艺历史起源与演变及其在各类陶瓷材料零部件制造的最新应用研究进展以及部分设备相关产业现状。从原料特性、打印工艺、后处理和陶瓷件性... 综述三类主要的陶瓷光固化3D打印技术,即立体光固化(SL)、数字光处理(DLP)和双光子聚合(TPP)的工艺历史起源与演变及其在各类陶瓷材料零部件制造的最新应用研究进展以及部分设备相关产业现状。从原料特性、打印工艺、后处理和陶瓷件性能等方面进行重点总结与讨论。同时,探讨面临的部分问题和挑战,如目前仍然无法规模化生产且生产效率较低,打印件高端工业应用场景还有待挖掘,需要有针对性地进一步发展陶瓷光固化3D打印新材料、新理论和新技术,以寻求效率与应用突破。最后指出结构功能一体化/梯度化制造以及多材料/多工艺复合高效制造是未来陶瓷3D打印技术的重要发展方向。 展开更多

关键词 陶瓷 光固化 3D打印 增材制造 立体光固化 数字光处理 双光子聚合

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钛酸锂产氚陶瓷前驱体浆料制备及其光固化3D打印成形 被引量：1

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作者 罗鑫 李禹增 +1 位作者 邢欢欢 陈张伟 《精密成形工程》 北大核心 2024年第12期1-13,共13页

目的通过光固化3D打印技术制备钛酸锂(Li_(2)TiO_(3))产氚陶瓷前驱体浆料,并分析其流变性能和固化性能,以实现一体化制造工艺的创新。方法首先采用固相法制备Li_(2)TiO_(3)陶瓷前驱体原料,利用锐钛型TiO2和Li2CO3粉末作为粉源。其次,选... 目的通过光固化3D打印技术制备钛酸锂(Li_(2)TiO_(3))产氚陶瓷前驱体浆料,并分析其流变性能和固化性能,以实现一体化制造工艺的创新。方法首先采用固相法制备Li_(2)TiO_(3)陶瓷前驱体原料,利用锐钛型TiO2和Li2CO3粉末作为粉源。其次,选择有机树脂体系,包括己二醇二丙烯酸酯(HDDA)和三羟基甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)作为光敏树脂,以及分散剂、硅烷偶联剂和光引发剂,制备出性能良好的前驱体浆料。通过正交试验探究了固相含量、分散剂含量和光敏树脂单体比例对浆料流变性能的影响,确定了最佳浆料配方。此外,研究了光引发剂含量对固化性能的影响,并测定了浆料的透射深度和临界曝光强度。通过对单层曝光时间与浆料单线条打印精度和梯度孔打印精度之间的关系进行系统性研究,确定了最佳的曝光时间。最终,利用DLP光固化3D打印机成功打印出形貌良好的Li_(2)TiO_(3)前驱体样件。结果当固相含量(体积分数)为40%、光敏树脂单体体积比例(TMPTA与HDDA)为1∶1、分散剂含量(质量分数)为5%时,陶瓷前驱体浆料具有高固相、低黏度、良好分散性能的优异性能。此外,测定了前驱体陶瓷浆料的最优光引发剂含量(1.5%,质量分数)以及曝光时间范围(6~14 s),拟合计算得到陶瓷浆料的透射深度(20.2µm)与临界曝光强度(0.97 mJ/cm2)。最后,进行打印测试,制备出高精度、无裂纹的前驱体陶瓷素坯。结论所开发的光固化3D打印工艺为新型钛酸锂产氚陶瓷的一体化制造提供了一种有效的方法,有望解决传统制造工艺中存在的问题,为核聚变反应堆中产氚包层的制备提供了新的技术途径。 展开更多

关键词 光固化3D打印 钛酸锂产氚陶瓷 前驱体浆料 流变性能 固化性能

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脱脂工艺对光固化3D打印堇青石陶瓷性能的影响 被引量：3

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作者 朱俊逸 张成 +5 位作者 罗忠强 曹继伟 刘志远 王沛 刘长勇 陈张伟 《无机材料学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2022年第3期317-324,共8页

光固化3D打印是制造高度复杂结构陶瓷的一种有效方法。打印的样件需要经历脱脂和烧结等热处理才能成为可用的陶瓷件,脱脂工艺对打印件性能影响巨大。本工作通过研究脱脂工艺对DLP光固化3D打印制备的堇青石陶瓷性能的影响规律,建立缺陷... 光固化3D打印是制造高度复杂结构陶瓷的一种有效方法。打印的样件需要经历脱脂和烧结等热处理才能成为可用的陶瓷件,脱脂工艺对打印件性能影响巨大。本工作通过研究脱脂工艺对DLP光固化3D打印制备的堇青石陶瓷性能的影响规律,建立缺陷抑制策略。比较并分析了脱脂气氛和升温速率对陶瓷样件的表面裂纹和元素分布状态的影响,还对比进一步烧结后样件显微组织、尺寸收缩率、相对密度和弯曲强度等性能。研究发现脱脂气氛对样件各性能影响最大,使用氩气脱脂可显著降低表面裂纹,提高相对密度与弯曲强度;并确定最佳升温速率为1℃/min。最终获得表面完整无裂纹且相对密度为(94.6±0.3)%,弯曲强度为(94.3±3.2) MPa的堇青石陶瓷样件。本研究为光固化3D打印堇青石陶瓷的无缺陷制造与应用提供了科学依据与技术参考。 展开更多

关键词 堇青石陶瓷 光固化3D打印 脱脂 烧结 性能

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反Kagome点阵结构主参数分析及力学行为 被引量：4

12

作者 韩宗政 段明德 +3 位作者 杨子威 张壮雅 王沛 王茂华 《机械强度》 CAS CSCD 北大核心 2022年第2期440-446,共7页

为探寻力学性能更好的点阵结构,以点群理论为基础提出反Kagome点阵单胞模型,并与Kagome单胞模型进行力学性能对比分析。以结构压缩性能、剪切性能为目标,相对密度和承载能力为约束条件,运用应力应变理论确定反Kagome单胞关键参数-倾斜... 为探寻力学性能更好的点阵结构,以点群理论为基础提出反Kagome点阵单胞模型,并与Kagome单胞模型进行力学性能对比分析。以结构压缩性能、剪切性能为目标,相对密度和承载能力为约束条件,运用应力应变理论确定反Kagome单胞关键参数-倾斜角度ω的取值范围。结合有限元分析结果,确定该模型在最佳力学性能下的ω取值。进行反Kagome点阵模型实验,以验证理论分析的正确性。研究结果表明:相同的外部条件下,当倾斜角度ω=52°时,反Kagome点阵结构的抗压缩性能最好,当倾斜角度ω=38°时该结构的剪切性能更好;但就综合性能而言,45°倾角优于其它两倾角。 展开更多

关键词 点群 点阵结构 倾斜角度 反Kagome 应力应变

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聚能为笔,化陶成墨,镌刻神笔马良新篇章

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作者 陈张伟 吕坚 《无机材料学报》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2022年第3期237-240,共4页

陶瓷,是一种历史悠久且应用广泛的无机非金属材料,在人类文明进程中扮演着至关重要的角色。如今,陶瓷因其优异的物理和化学性能得到大量的研究和使用,结构和功能属性复杂的先进陶瓷材料尤其在机械电子、能源环保、航空航天、生物医疗等... 陶瓷,是一种历史悠久且应用广泛的无机非金属材料,在人类文明进程中扮演着至关重要的角色。如今,陶瓷因其优异的物理和化学性能得到大量的研究和使用,结构和功能属性复杂的先进陶瓷材料尤其在机械电子、能源环保、航空航天、生物医疗等高新技术领域占据不可或缺的地位。然而,陶瓷材料固有的高硬度和高脆性,使得在制造高度复杂的三维空间形状或定制化结构与功能产品的时候,传统的模具成形和加工技术往往面临难度高、周期长的技术局限。 展开更多

关键词 无机非金属材料 生物医疗 航空航天 定制化 先进陶瓷材料 人类文明进程 神笔马良 机械电子

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