Genombrott för aluminiumoxidpulver i 3D-utskriftsmaterial
Går in i laboratoriet vid Northwestern Polytechnical University, ett ljushärdande3D-skrivare surrar svagt, och laserstrålen rör sig exakt i den keramiska uppslamningen. Bara några timmar senare presenteras en keramisk kärna med en komplex struktur som en labyrint – den kommer att användas för att gjuta turbinbladen till flygmotorer. Professor Su Haijun, som ansvarar för projektet, pekade på den ömtåliga komponenten och sa: ”För tre år sedan vågade vi inte ens tänka på sådan precision. Det viktigaste genombrottet är gömt i detta oansenliga aluminiumoxidpulver.”
En gång i tiden var aluminiumoxidkeramik som en "problemstudent" inom området3D-utskrift– hög hållfasthet, hög temperaturbeständighet, bra isolering, men när det väl var tryckt hade det många problem. Under traditionella processer har aluminiumoxidpulver dålig flytförmåga och blockerar ofta skrivhuvudet; krympningshastigheten under sintring kan vara så hög som 15–20 %, och de delar som tryckts med stor ansträngning kommer att deformeras och spricka så fort de bränns; komplexa strukturer? Det är ännu mer av en lyx. Ingenjörer är oroliga: ”Den här saken är som en envis konstnär, med vilda idéer men inte tillräckligt med händer.”
1. Rysk formel: Att sätta "keramisk rustning" påaluminiummatris
Vändpunkten kom först från revolutionen inom materialdesign. År 2020 tillkännagav materialforskare från Rysslands nationella universitet för vetenskap och teknik (NUST MISIS) en banbrytande teknologi. Istället för att bara blanda aluminiumoxidpulver, placerade de högrent aluminiumpulver i en autoklav och använde hydrotermisk oxidation för att "odla" ett lager av aluminiumoxidfilm med en exakt kontrollerbar tjocklek på ytan av varje aluminiumpartikel, precis som att lägga ett lager av nanonivåpansar på aluminiumkulan. Detta "kärn-skalstruktur"-pulver visar fantastisk prestanda vid laser-3D-utskrift (SLM-teknik): hårdheten är 40 % högre än för rena aluminiummaterial, och högtemperaturstabiliteten förbättras kraftigt, vilket direkt uppfyller kraven för flygindustrin.
Professor Alexander Gromov, projektledaren, drog en livfull analogi: ”Förr i tiden var kompositmaterial som sallader – vart och ett skötte sina egna affärer; våra pulver är som smörgåsar – aluminium och aluminiumoxid biter ihop lager för lager, och ingen av dem klarar sig utan den andra.” Denna starka koppling gör att materialet kan visa sin skicklighet i flygmotordelar och ultralätta karosseriramar, och börjar till och med utmana titanlegeringarnas territorium.
2. Kinesisk visdom: magin med att "sätta" keramik
Den största smärtpunkten med aluminiumoxidkeramiktryck är sintringskrympning – tänk dig att du försiktigt knådar en lerfigur, och den krymper till storleken av en potatis så fort den kommer in i ugnen. Hur mycket skulle den kollapsa? I början av 2024 satte resultaten som publicerades av professor Su Haijuns team vid Northwestern Polytechnical University i Journal of Materials Science & Technology fart på branschen: de fick en nästan krympfri kärna av aluminiumoxidkeramik med en krympningshastighet på endast 0,3 %.
Hemligheten är att lägga tillaluminiumpulvertill aluminiumoxid och sedan spela en precis ”atmosfärsmagi”.
Tillsätt aluminiumpulver: Blanda 15 % fint aluminiumpulver i den keramiska uppslamningen
Kontrollera atmosfären: Använd argongasskydd i början av sintringen för att förhindra att aluminiumpulver oxiderar
Smart omkoppling: När temperaturen stiger till 1400 °C, växla plötsligt atmosfären till luft
In-situ-oxidation: Aluminiumpulver smälter omedelbart till droppar och oxiderar till aluminiumoxid, och volymutvidgningen kompenserar för kontraktionen.
3. Bindemedelsrevolutionen: aluminiumpulver förvandlas till "osynligt lim"
Medan de ryska och kinesiska teamen arbetar hårt med pulvermodifiering har en annan teknisk väg i tysthet mognat – att använda aluminiumpulver som bindemedel. Traditionell keramik3D-utskriftBindemedel är mestadels organiska hartser, som lämnar hålrum när de bränns under avfettning. Ett inhemskt lags patent från 2023 har en annan metod: att göra aluminiumpulver till ett vattenbaserat bindemedel47.
Under utskriften sprutar munstycket noggrant "lim" innehållande 50–70 % aluminiumpulver på aluminiumoxidpulverlagret. I avfettningssteget sugs vakuum och syre leds igenom, och aluminiumpulvret oxideras till aluminiumoxid vid 200–800 °C. Egenskapen med volymutvidgning på mer än 20 % gör att det aktivt fyller porerna och minskar krympningshastigheten till mindre än 5 %. "Det motsvarar att demontera byggnadsställningen och samtidigt bygga en ny vägg, fylla sina egna hål!" beskrev en ingenjör det så här.
4. Partiklarnas konst: det sfäriska pulvrets seger
"Utseendet" hos aluminiumoxidpulver har oväntat blivit nyckeln till genombrott – detta utseende hänvisar till partikelformen. En studie i tidskriften "Open Ceramics" år 2024 jämförde prestandan hos sfäriska och oregelbundna aluminiumoxidpulver vid smält depositionstryckning (CF³)5:
Sfäriskt pulver: flyter som fin sand, fyllnadsgraden överstiger 60 % och trycket är slätt och silkeslent
Oregelbundet pulver: fastnat som grovt socker, viskositeten är 40 gånger högre och munstycket är blockerat för att tvivla på livet
Ännu bättre är att densiteten hos de delar som trycks med sfäriskt pulver lätt överstiger 89 % efter sintring, och ytfinishen uppfyller standarden direkt. ”Vem använder fortfarande ”fult” pulver nu? Flytande är stridseffektivitet!” En tekniker log och avslutade.
Framtid: Stjärnor och hav samexisterar med det lilla och vackra
3D-printningsrevolutionen för aluminiumoxidpulver är långt ifrån över. Militärindustrin har tagit ledningen i att använda kärnor med nästan noll krympning för att tillverka turbofläktblad; det biomedicinska området har satsat på dess biokompatibilitet och börjat skriva ut anpassade benimplantat; elektronikindustrin har riktat in sig på värmeavledningssubstrat – trots allt är aluminiumoxidens värmeledningsförmåga och icke-elektriska ledningsförmåga oersättliga.