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多孔陶瓷的應(yīng)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(xué)等領(lǐng)域,。
▲泡沫型多孔陶瓷 @網(wǎng)絡(luò)
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(shù)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(xué)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(xué)和化學(xué)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(yīng)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(fù)雜形狀的多孔陶瓷中應(yīng)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(yīng)用于制造細(xì)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(fù)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(shù)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(shè)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(shè)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(shù)在多孔陶瓷制備中的應(yīng)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(shù)（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(biāo)準(zhǔn)的打印要求和應(yīng)用需求，能為復(fù)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(fù)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(fù)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(shè)備結(jié)構(gòu)原理簡單，不需要昂貴的高能量激光設(shè)備,，整體工藝可充分利用傳統(tǒng)粉末冶金的前后處理設(shè)備,，極大地減少了投入成本；
成型設(shè)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,；
▲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(yīng)用前景
3D打印技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)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(shù)融合，從而提高3D打印工藝在多孔結(jié)構(gòu)陶瓷的應(yīng)用發(fā)展,；在材料方面會通過開發(fā)高性能的復(fù)合材料來滿足不同領(lǐng)域的需求,；而隨著3D打印技術(shù)及應(yīng)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(shù),，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(fù)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(xué)植入物,、整體式多孔陶瓷催化劑等方面實現(xiàn)廣泛應(yīng)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(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造能力，開發(fā)更多的應(yīng)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(shè)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(shè)計和制造提供整體增材制造工藝及服務(wù)。
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