编号：FTJS107456
篇名： Al2O3多孔陶瓷激光选区烧结/反应烧结制备与性能研究
作者： 董晔
关键词： Al2O3多孔陶瓷; 激光选区烧结; 近零收缩; 孔隙特征; 力学性能;
机构：武汉理工大学
摘要： Al2O3多孔陶瓷因特定的孔隙结构和材料本身的优良性能而有着广泛的应用。高性能多孔陶瓷通常需要具有定制的形状和尺寸、较高的孔隙率、可调控的孔隙特征和适当的力学性能。激光选区烧结（SLS）增材制造技术在复杂结构多孔陶瓷的成形方面具备明显优势,但仍存在收缩率大、孔隙率低、孔隙特征难以调控和力学性能差等突出问题。为此,本文创造性地提出激光选区烧结/反应烧结（SLS/RB）复合工艺制备高性能α-Al2O3多孔陶瓷,探究了结构演变规律和性能强化机理,建立了孔隙特征与力学性能的协同调控方法,极大地推动高性能多孔陶瓷的实际应用。主要研究内容和结果如下: 以Al2O3粉为原料,采用SLS工艺制备出高孔隙率多孔陶瓷。通过正交试验优化SLS工艺参数和有机粘结剂（环氧树脂E12）含量,研究了Al2O3粉体形貌对多孔陶瓷结构与性能的影响。结果表明,相比于常用的球状Al2O3粉,珊瑚状Al2O3粉有着粗糙的表面和微孔结构,增大了颗粒堆积孔隙并引入颗粒内部孔隙,从而使孔隙率从57.6±0.3%提升至72.1±0.1%。 以Al粉为原料,采用SLS/RB工艺制备出低收缩率、高强度多孔陶瓷。升温过程中,物相经历了Al→无定形Al2O3→γ-Al2O3→δ,θ-Al2O3→α-Al2O3的转变过程。Al粉的氧化与熔融Al析出过程会导致试样膨胀,使收缩率仅为2.68±0.21%。该过程还伴随着不同尺度空心球、片状晶体、晶须、纳米纤维和粘结桥等微观结构的产生;在54.5±0.6%的孔隙率下,抗弯强度可达32.8±1.9 MPa,是SLS成形Al2O3多孔陶瓷强度的21.0倍。 以珊瑚状Al2O3/Al粉为原料,采用SLS/RB工艺制备出近零收缩、高孔隙率和高强度多孔陶瓷。熔融Al向外析出导致的膨胀更加明显,可使收缩率进一步减小。空心球结构增加的孔隙抵消了熔融Al填充减小的孔隙,可保持高孔隙率。熔融Al扩散和氧化形成的烧结颈和复杂的粘结桥结构增强了颗粒间粘合力,使抗弯强度显著增加。最终可获得近零收缩（0.91±0.15%）、高孔隙率（73.7±0.2%）和高抗弯强度（7.4±0.4 MPa）,该强度是未添加Al粉时的9.45倍。 以Al2O3/Al粉或Al粉为原料,采用SLS/RB结合酸腐蚀（AE）工艺制备出孔隙特征可调控、孔隙率/孔隙连通率高、力学性能良好的多孔陶瓷。通过控制Al粉的氧化和腐蚀行为,减少颗粒间粘结桥并形成界限分明的、高度连通空心球孔隙结构,增加了孔隙率和孔隙连通率。原位生成的小空心球可阻碍大空心球上微裂纹扩展,导致独特的近弹性屈曲,而不是传统的脆性断裂,使试样获得83.6±1.2%的高孔隙率、93.5±1.1%的高孔隙连通率,同时抗弯强度和抗压强度仍可达到3.63±0.22 MPa和6.18±0.52 MPa。 本文通过原料选择、工艺优化、结构演变和强化机理的系统研究,实现了高性能多孔陶瓷的增材制造,并为其应用提供了一定的理论指导和技术支持。