耐熱陶瓷可用于制造發(fā)動機熱端部件、火箭噴嘴和頭錐等組件，這些組件要對付高溫或極端環(huán)境。麻煩在于這些熱穩(wěn)定工程陶瓷不容易鑄造或加工成必要的復雜外形。
最近幾年，3D打印工藝的開發(fā)大大增加了制造陶瓷的幾何靈活性。但是無論是沉積包含陶瓷微粒的光敏樹脂的工藝，在陶瓷微粒上噴射粘結劑的工藝，還是利用激光熔融陶瓷粉末床，當前的增材制造手段都受制造速度的限制。而且，經常伴隨費時的粘結劑清除過程。無論如何，最終組件的物理性質都不是最優(yōu)的，會產生不可靠、低強度的零件，而出現(xiàn)殘余孔隙、裂紋和/或不均勻。
一項新的增材制造技術由波音和通用汽車聯(lián)合擁有的HRL實驗室開發(fā)出來，并驗證了其更快、更易制造復雜外形高強陶瓷組件的能力。HRL的高級化學工程師Eckel和化學家發(fā)明了一種聚合物樹脂配方，能夠3D打印成具有復雜外形的生零件，然后在爐中燒制，樹脂熱解，零件均勻收縮成高密度陶瓷。
HRL項目經理表示：“有了我們的新型3D打印工藝，我們可以充分利用碳氧化硅陶瓷的許多優(yōu)良性質，包括高硬度、強度和溫度能力，以及耐磨和耐腐蝕性。”這樣的蜂窩陶瓷材料能夠作為高溫應用中的輕質、承載三明治板的芯體，比如高超飛行器和噴氣發(fā)動機。
——打印陶瓷前驅體單體
Eckel表示：“我們直接從陶瓷前驅體聚合物打印全致密零件。首個方法是立體平板印刷，我們用激光凝固、聚合一種特殊的紫外固化陶瓷前驅體樹脂和一個紫外光引發(fā)劑，以成形復雜外形，但這仍需數(shù)小時甚至數(shù)天。”
這是為什么HRL團隊還關注自產的技術，能夠更快地大批生產生零件。作為一項持續(xù)10年的旨在開發(fā)輕質、高強材料的DARPA合同的一部分，研究人員開發(fā)了一種方法，“使紫外光在前驅體樹脂槽全程都集中直到底部”，加速制造。
技巧在于使用紫外燈穿過平版印刷蒙版中的孔的同時凝固材料，與此同時，在受照軸內校準光線以全程硬化直到底部。在這個“自蔓延光聚物波導方法”中，光通過一個波導效應，基于對樹脂柱的內部表面連續(xù)向下反射，而穿透它。這個工藝創(chuàng)造了特別輕質但高強的桁架結構。
“我們生產了一個超輕鎳微柵格，暫時是世界上最輕的材料；現(xiàn)在是世界最輕的金屬材料。”
——多陶瓷配方
今天他們正在將這種增材制造技術應用高溫陶瓷組件。兩種紫外硬化工藝可以最終生產許多不同的陶瓷材料，但是最開始團隊驗證了一種碳氧化硅陶瓷，成形為一種復雜多孔的輕質結構，能夠抵抗超過1700°C (3092°F)的超高溫，展現(xiàn)出10倍于類似蜂窩陶瓷材料的強度。
Eckel表示：“從技術上講，非晶態(tài)剝離微結構是一種玻璃和碳的混合物；在納米尺度它分隔為微細的二氧化硅區(qū)域，被石墨層環(huán)繞。我們利用了某種特殊的化學。陶瓷前驅體聚合物和聚合物衍生陶瓷非常普遍。這類材料最初在20世紀60年代研制出來。”
當在一個惰性氣氛如氬氣中熱處理到1000°C (1832°F) 使，它們熱解，成形為許多陶瓷化合物，包括碳化硅、氮化硅、氮化鋁和多種碳氮化物。同時，揮發(fā)化學物如甲烷、氫、二氧化碳、水和烴等走掉，留下幾近致密的、縮小的陶瓷外形。
通過把多種有機分子群與無機硅基或碳基主成分如硅氧烷、硅氮烷或碳硅烷粘合，研究團隊能夠設計這種紫外活躍的陶瓷前驅體單體，它在適度照射時強烈交聯(lián)。
——均勻收縮
在《科學》雜志“聚合物衍生陶瓷增材制造”論文的試驗報告中，碳氧化硅前驅體圖案在爐中的轉化過程中，經歷了42%的質量損失和30%的線性收縮。但是團隊用“異常的均勻”來描述這個收縮，幾乎像以前傳說中的南海獵頭人的縮水之頭，收縮件特征的相對比例保持相同。
HRL團隊已經使用陶瓷實驗室技術生產薄元件桁架結構——演示用的多重微結構、蜂窩、凹蜂窩——展現(xiàn)出驚人的靈活性。他們還制造了許多東西，從螺旋錐到火箭噴嘴、導彈錐頭、燃氣渦輪發(fā)動機葉片和微葉輪。
這種聚合物衍生陶瓷材料的增材制造不僅可用于噴氣發(fā)動機和高超飛行器的推進組件，還能用于熱防護系統(tǒng)、多孔爐、微機電系統(tǒng)和電子器件封裝。HRL正在為該技術尋找商業(yè)化伙伴。
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