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多孔陶瓷的應用現(xiàn)狀及主要工藝

多孔陶瓷是一種經(jīng)人工合成的、結(jié)合特定需求制造的體內(nèi)具有大量彼此相通或閉合氣孔的孔隙結(jié)構(gòu)陶瓷。它不僅具有傳統(tǒng)陶瓷耐高溫、耐腐蝕、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，而且因其具有大量的氣孔，比表面積大，密度低，可調(diào)的孔徑分布等特點，已被廣泛使用在航空航天、環(huán)境保護、食物加工、生物醫(yī)學等領域。

▲泡沫型多孔陶瓷 @網(wǎng)絡

多孔陶瓷顯著特點就是多孔，而孔的形態(tài)多種多樣，豐富的造孔技術也造就了形態(tài)各異、功能針對性更強的多孔形貌。根據(jù)孔的結(jié)構(gòu)特征可分為泡沫型和網(wǎng)孔型兩大類，目前常見的多孔陶瓷造孔方法主要有添加造孔劑、有機泡沫浸漬法、凝膠-溶膠法、化學發(fā)泡法、冷凍干燥法、顆粒堆積法。而多孔陶瓷制備工藝很大一部分可以借鑒傳統(tǒng)陶瓷的生產(chǎn)工藝，主要有干壓成型、注漿成型、擠出成型、流延成型、凝膠注模成型以及新型的3D打印方法。

常見工藝優(yōu)缺點及存在的問題

多孔陶瓷的特殊性能主要得益于其特殊的多孔結(jié)構(gòu)，它的多孔結(jié)構(gòu)包含氣孔率、孔徑大小及分布、孔的形狀等。因此需要通過制備方法來調(diào)控其孔隙率、孔徑大小及分布、孔的形狀來得到所需的多孔結(jié)構(gòu)。而多孔陶瓷的力學和化學等性能受制于氣孔率、強度、高溫穩(wěn)定性等因素，因此不同的工藝也存在一定的問題，從而限制了多孔陶瓷的應用。如：

• 有機浸漬工藝可制備氣孔率較高的多孔陶瓷，但陶瓷骨架脆弱、缺陷多；

• 發(fā)泡工藝制備的多孔陶瓷具有氣孔率高，強度大的特點，制備閉氣孔多孔陶瓷具有優(yōu)勢，但是對原材料的要求較高；

• 添加造孔劑工藝可在復雜形狀的多孔陶瓷中應用，但孔徑大小難以控制，也不適合制備高氣孔率的多孔陶瓷；

• 擠壓試成形工藝主要應用于制造細長的多孔陶瓷，孔的大小及形狀可以精確控制，但該方法不適合制備復雜孔徑的多孔陶瓷。

▲3D打印的碳化硅多孔結(jié)陶瓷 @升華三維

3D打印技術為制備多孔陶瓷方面提供了一種新穎而有效的方法，與傳統(tǒng)的多孔陶瓷制備工藝相比，在設計靈活性、快速原型、結(jié)構(gòu)功能一體化、材料利用率等方面都具有獨特的優(yōu)勢。但在打印精度、后處理工藝、材料選擇及設備投入成本上存在一定挑戰(zhàn)，目前還處于發(fā)展階段，工藝還不成熟 ，多需要輔助其他工藝來制備所需制品，相對成本不低。這可能會限制3D打印技術在多孔陶瓷制備中的應用。

PEP工藝制備多孔結(jié)構(gòu)陶瓷的特點

由升華三維推出的粉末擠出3D打印技術（PEP），通過3D打印機擠出陶瓷原粉與粘結(jié)劑混合后的陶瓷顆粒料制備成生坯，再結(jié)合傳統(tǒng)脫脂燒結(jié)工藝，來實現(xiàn)多孔陶瓷結(jié)構(gòu)的快速制造。該工藝可發(fā)揮3D打印和傳統(tǒng)粉末冶金的雙重優(yōu)勢，可以滿足更高標準的打印要求和應用需求，能為復雜多孔陶瓷結(jié)構(gòu)定制、一體化生產(chǎn)提供解決方案。

△氧化物陶瓷功能梯度多孔結(jié)構(gòu) @升華三維

其主要特點體現(xiàn)在：

• 具有低溫段成形，高溫段成性的特點，在實現(xiàn)大尺寸復雜多陶瓷結(jié)構(gòu)的一體化制備后，通過燒結(jié)工藝獲得性能一致性好的產(chǎn)品；

• 該工藝具有成型工藝簡單、制備和加工效率高，且無需模具等特點；

• 不僅可用來制備形狀復雜、顯微結(jié)構(gòu)均勻和孔連通性好的多孔陶瓷；

• 配套的UPrise 3D切片軟件中晶格填充功能，可實現(xiàn)孔隙率、孔徑大小及區(qū)域獨立填充的可控可調(diào)；

• 打印設備結(jié)構(gòu)原理簡單，不需要昂貴的高能量激光設備，整體工藝可充分利用傳統(tǒng)粉末冶金的前后處理設備，極大地減少了投入成本；

• 成型設備采用了噴嘴擠壓系統(tǒng)，可直接制備具有低密度性能的內(nèi)部多孔陶瓷結(jié)構(gòu)，而無需清粉等工藝；

• 采用顆粒材料，可適配氧化物、碳化物、氮化物、生物陶瓷等先進陶瓷材料，且打印材料可循環(huán)使用，可有效降低運營成本；

  
  

  
  

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▲3D打印的多孔結(jié)陶瓷產(chǎn)品 @升華三維

3D打印多孔結(jié)構(gòu)陶瓷的發(fā)展趨勢及應用前景

3D打印技術在復雜結(jié)構(gòu)的設計與制造方面具有獨特的優(yōu)勢，將會促進傳統(tǒng)工藝與3D打印的技術融合，從而提高3D打印工藝在多孔結(jié)構(gòu)陶瓷的應用發(fā)展；在材料方面會通過開發(fā)高性能的復合材料來滿足不同領域的需求；而隨著3D打印技術及應用的逐漸成熟，打印精度、效率將進一步提高，工藝投入及運營成本將持續(xù)降低；通過結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)技術，實現(xiàn)3D打印全過程的智能化控制，打印速度和穩(wěn)定性將會更好的控制。3D打印為高復雜度、批量化制造多孔結(jié)構(gòu)陶瓷提供全新的工藝，有望在工業(yè)固廢資源化、廢水處理、隔音吸波、過濾器、高性能陶瓷膜、生物醫(yī)學植入物、整體式多孔陶瓷催化劑等方面實現(xiàn)廣泛應用。

▲氮化硅多孔殼體結(jié)構(gòu) @升華三維

升華三維將不斷深化先進陶瓷在多孔結(jié)構(gòu)的研究，充分發(fā)揮PEP工藝對大尺寸、高性能、復雜結(jié)構(gòu)的設計與制造能力，開發(fā)更多的應用場景。升華三維現(xiàn)已建成完備的粉末擠出3D打印工藝鏈，支持從材料配方開發(fā)、打印設備定制、到脫脂燒結(jié)工藝適配的靈活方案，可為客戶快速實現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)陶瓷的設計和制造提供整體增材制造工藝及服務。