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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(diǎn)，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(diǎn)，已被廣泛使用在航空航天、環(huán)境保護(hù)、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(diǎn)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(duì)性更強(qiáng)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(jī)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(diǎn)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(qiáng)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(jī)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(qiáng)度大的特點(diǎn)，制備閉氣孔多孔陶瓷具有優(yōu)勢(shì)，但是對(duì)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(zhǎng)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(jì)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)。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(duì)成本不低。這可能會(huì)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(diǎn)

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(jī)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(shí)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(shì)，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(diǎn)體現(xiàn)在：

• 具有低溫段成形，高溫段成性的特點(diǎn)，在實(shí)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(jiǎn)單、制備和加工效率高，且無需模具等特點(diǎn)；

• 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(shí)現(xiàn)孔隙率、孔徑大小及區(qū)域獨(dú)立填充的可控可調(diào)；

• 打印設(shè)備結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)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(jìn)陶瓷材料，且打印材料可循環(huán)使用，可有效降低運(yùn)營(yíng)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(shì)及應(yīng)用前景

3D打印技術(shù)在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，將會(huì)促進(jìn)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(huì)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(jìn)一步提高，工藝投入及運(yùn)營(yíng)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(shí)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(huì)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(shí)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(jìn)陶瓷在多孔結(jié)構(gòu)的研究，充分發(fā)揮PEP工藝對(duì)大尺寸、高性能、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造能力，開發(fā)更多的應(yīng)用場(chǎng)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(shí)現(xiàn)多孔結(jié)構(gòu)陶瓷的設(shè)計(jì)和制造提供整體增材制造工藝及服務(wù)。