Gennembrud inden for aluminiumoxidpulver i 3D-printmaterialer
Går ind i laboratoriet på Northwestern Polytechnical University, et lyshærdende3D-printer summer let, og laserstrålen bevæger sig præcist i den keramiske opslæmning. Bare et par timer senere er en keramisk kerne med en kompleks struktur som en labyrint fuldt præsenteret – den vil blive brugt til at støbe turbineblade til flymotorer. Professor Su Haijun, der er ansvarlig for projektet, pegede på den skrøbelige komponent og sagde: "For tre år siden turde vi ikke engang tænke på en sådan præcision. Det afgørende gennembrud er skjult i dette diskrete aluminiumoxidpulver."
Engang var aluminiumoxidkeramik som en "problemstuderende" inden for3D-printning– høj styrke, høj temperaturbestandighed, god isolering, men da det først var trykt, havde det en masse problemer. Under traditionelle processer har aluminiumoxidpulver dårlig flydeevne og blokerer ofte printhovedet; krympningshastigheden under sintring kan være så høj som 15%-20%, og de dele, der blev trykt med stor indsats, vil deformere og revne, så snart de brændes; komplekse strukturer? Det er endnu mere en luksus. Ingeniører er bekymrede: "Denne ting er som en stædig kunstner med vilde ideer, men ikke nok hænder."
1. Russisk formel: At sætte "keramisk rustning" påaluminiummatrix
Vendepunktet kom først fra revolutionen inden for materialedesign. I 2020 annoncerede materialeforskere fra det russiske National University of Science and Technology (NUST MISIS) en banebrydende teknologi. I stedet for blot at blande aluminiumoxidpulver, satte de aluminiumpulver af høj renhed i en autoklav og brugte hydrotermisk oxidation til at "dyrke" et lag af aluminiumoxidfilm med en præcist kontrollerbar tykkelse på overfladen af hver aluminiumpartikel, ligesom man lægger et lag nano-niveau panser på aluminiumskuglen. Dette "kerne-skal-struktur"-pulver viser fantastisk ydeevne under laser 3D-printning (SLM-teknologi): hårdheden er 40 % højere end for rene aluminiummaterialer, og højtemperaturstabiliteten er betydeligt forbedret, hvilket direkte opfylder kravene til luftfart.
Professor Alexander Gromov, projektlederen, kom med en levende analogi: "Tidligere var kompositmaterialer som salater – hver især havde ansvaret for sine egne forretninger; vores pulvere er som sandwich – aluminium og aluminiumoxid bider hinanden lag for lag, og ingen af dem kan undvære den anden." Denne stærke kobling gør det muligt for materialet at vise sine evner i flymotordele og ultralette karosserirammer og begynder endda at udfordre titanlegeringernes territorium.
2. Kinesisk visdom: Magien ved at "sætte" keramik
Det største problem ved trykning af aluminiumoxidkeramik er krympning ved sintring – forestil dig, at du forsigtigt æltede en lerfigur, og at den krympede til størrelsen af en kartoffel, så snart den kom ind i ovnen. Hvor meget ville den kollapse? I begyndelsen af 2024 satte resultaterne, der blev offentliggjort af professor Su Haijuns team ved Northwestern Polytechnical University i Journal of Materials Science & Technology, fart i branchen: de fik en næsten krympende aluminiumoxidkeramikkerne med en krympningsrate på kun 0,3 %.
Hemmeligheden er at tilføjealuminiumpulvertil aluminiumoxid og derefter spille en præcis “atmosfæremagi”.
Tilsæt aluminiumpulver: Bland 15% fint aluminiumpulver i den keramiske opslæmning
Kontroller atmosfæren: Brug argongasbeskyttelse i begyndelsen af sintringen for at forhindre aluminiumpulver i at oxidere
Smart skift: Når temperaturen stiger til 1400°C, skiftes der pludselig fra atmosfæren til luft.
In-situ oxidation: Aluminiumpulver smelter øjeblikkeligt til dråber og oxiderer til aluminiumoxid, og volumenudvidelsen opvejer sammentrækningen.
3. Bindemiddelrevolutionen: Aluminiumpulver bliver til "usynlig lim"
Mens de russiske og kinesiske hold arbejder hårdt på pulvermodifikation, er en anden teknisk metode stille og roligt modnet – brugen af aluminiumpulver som bindemiddel.3D-printningBindemidler er for det meste organiske harpikser, som efterlader hulrum, når de brændes under affedtning. Et nationalt holds patent fra 2023 har en anden tilgang: ved at lave aluminiumpulver om til et vandbaseret bindemiddel47.
Under printningen sprøjter dysen præcist "lim" indeholdende 50-70% aluminiumpulver på laget af aluminiumoxidpulver. I affedtningsfasen trækkes der vakuum, og ilt ledes igennem, og aluminiumpulveret oxideres til aluminiumoxid ved 200-800°C. Egenskaben med en volumenudvidelse på mere end 20% gør det muligt aktivt at fylde porerne og reducere krympningshastigheden til under 5%. "Det svarer til at nedbryde stilladset og bygge en ny væg på samme tid, hvor man selv fylder sine huller!" beskrev en ingeniør det på denne måde.
4. Partiklernes kunst: det sfæriske pulvers sejr
"Udseendet" af aluminiumoxidpulver er uventet blevet nøglen til gennembrud – dette udseende refererer til partikelformen. En undersøgelse i tidsskriftet "Open Ceramics" i 2024 sammenlignede ydeevnen af sfæriske og uregelmæssige aluminiumoxidpulvere i fused deposition (CF³) printning5:
Sfærisk pulver: flyder som fint sand, fyldningshastigheden overstiger 60%, og trykket er glat og silkeagtigt
Uregelmæssigt pulver: sidder fast som groft sukker, viskositeten er 40 gange højere, og dysen er blokeret for at tvivle på livet
Endnu bedre er det, at tætheden af de dele, der er trykt med sfærisk pulver, nemt overstiger 89 % efter sintring, og overfladefinishen opfylder standarden direkte. "Hvem bruger stadig "grimt" pulver nu? Flydeevne er kampeffektivitet!" En tekniker smilede og konkluderede.
Fremtid: Stjerner og have sameksisterer med det små og smukke
3D-printrevolutionen af aluminiumoxidpulver er langt fra slut. Militærindustrien har taget føringen i at anvende næsten nul-krympende kerner til fremstilling af turbofanblade; det biomedicinske felt har fattet interesse for dens biokompatibilitet og begyndt at printe skræddersyede knogleimplantater; elektronikindustrien har målrettet sig varmeafledningssubstrater – aluminiumoxids termiske ledningsevne og ikke-elektriske ledningsevne er trods alt uerstattelige.