Avenç de la pols d'alúmina en materials d'impressió 3D
Entrant al laboratori de la Northwestern Polytechnical University, un centre de fotopolimeritzacióimpressora 3D brunzeix lleugerament i el raig làser es mou amb precisió a la pasta ceràmica. Només unes hores més tard, es presenta completament un nucli ceràmic amb una estructura complexa com un laberint: s'utilitzarà per fondre les pales de les turbines dels motors dels avions. El professor Su Haijun, responsable del projecte, va assenyalar el component delicat i va dir: "Fa tres anys, no ens atrevíem ni a pensar en tanta precisió. L'avenç clau està amagat en aquesta pols d'alúmina discreta".
Fa temps, la ceràmica d'alúmina era com un "estudiant problemàtic" en el camp deimpressió 3D– alta resistència, resistència a altes temperatures, bon aïllament, però un cop impresa, tenia molts problemes. En els processos tradicionals, la pols d'alúmina té poca fluïdesa i sovint bloqueja el capçal d'impressió; la taxa de contracció durant la sinterització pot arribar al 15%-20%, i les peces que s'han imprès amb gran esforç es deformen i s'esquerden tan bon punt es cremen; estructures complexes? És encara més un luxe. Els enginyers estan preocupats: "Aquesta cosa és com un artista tossut, amb idees esbojarrades però sense prou mans".
1. Fórmula russa: Posar una “armadura ceràmica” a laaluminimatriu
El punt d'inflexió va arribar per primera vegada amb la revolució en el disseny de materials. El 2020, científics de materials de la Universitat Nacional de Ciència i Tecnologia (NUST MISIS) de Rússia van anunciar una tecnologia disruptiva. En lloc de simplement barrejar pols d'òxid d'alumini, van posar pols d'alumini d'alta puresa en un autoclau i van utilitzar l'oxidació hidrotermal per "fer créixer" una capa de pel·lícula d'òxid d'alumini amb un gruix controlable amb precisió a la superfície de cada partícula d'alumini, igual que posar una capa d'armadura de nivell nano a la bola d'alumini. Aquesta pols d'"estructura de nucli-closca" mostra un rendiment sorprenent durant la impressió 3D làser (tecnologia SLM): la duresa és un 40% més alta que la dels materials d'alumini pur i l'estabilitat a altes temperatures millora considerablement, complint directament els requisits de grau aeronàutic.
El professor Alexander Gromov, el líder del projecte, va fer una analogia vívida: "En el passat, els materials compostos eren com amanides: cadascuna s'encarregava del seu propi assumpte; les nostres pols són com entrepans: l'alumini i l'alúmina es mosseguen capa per capa, i cap dels dos pot prescindir de l'altre". Aquest fort acoblament permet que el material mostri la seva destresa en peces de motors d'avions i xassís de carrosseries ultralleugeres, i fins i tot comença a desafiar el territori dels aliatges de titani.
2. Saviesa xinesa: la màgia de "col·locar" la ceràmica
El punt més problemàtic de la impressió amb ceràmica d'alúmina és la contracció per sinterització: imagineu-vos que amasseu amb cura una figura d'argila i que es va reduir a la mida d'una patata tan bon punt va entrar al forn. Quant es col·lapsaria? A principis del 2024, els resultats publicats per l'equip del professor Su Haijun de la Northwestern Polytechnical University al Journal of Materials Science & Technology van impulsar la indústria: van obtenir un nucli ceràmic d'alúmina amb una contracció gairebé nul·la i una taxa de contracció de només el 0,3%.
El secret és sumarpols d'aluminia l'alúmina i després reproduir una "màgia atmosfèrica" precisa.
Afegiu pols d'alumini: barregeu un 15% de pols fina d'alumini a la pasta ceràmica
Control de l'atmosfera: utilitzeu protecció amb gas argó al començament de la sinterització per evitar que la pols d'alumini s'oxidi
Commutació intel·ligent: quan la temperatura puja a 1400 °C, canvia sobtadament l'atmosfera a aire
Oxidació in situ: la pols d'alumini es fon instantàniament en gotes i s'oxida a òxid d'alumini, i l'expansió del volum compensa la contracció.
3. Revolució de l'aglutinant: la pols d'alumini es converteix en una "cola invisible"
Mentre els equips russos i xinesos treballen intensament en la modificació de la pols, una altra via tècnica ha madurat silenciosament: l'ús de pols d'alumini com a aglutinant. Ceràmica tradicionalimpressió 3DEls aglutinants són majoritàriament resines orgàniques, que deixaran cavitats quan es cremin durant el desgreixatge. La patent del 2023 d'un equip nacional adopta un enfocament diferent: convertir pols d'alumini en un aglutinant a base d'aigua47.
Durant la impressió, el broquet ruixa amb precisió "cola" que conté entre un 50 i un 70% de pols d'alumini sobre la capa de pols d'òxid d'alumini. Quan arriba a la fase de desgreixatge, s'aspira buit i es fa passar oxigen, i la pols d'alumini s'oxida a òxid d'alumini a 200-800 °C. La característica d'expansió volumètrica de més del 20% li permet omplir activament els porus i reduir la taxa de contracció a menys del 5%. "És equivalent a desmuntar la bastida i construir una nova paret alhora, omplint els teus propis forats!", ho va descriure un enginyer d'aquesta manera.
4. L'art de les partícules: la victòria de la pols esfèrica
L'"aspecte" de la pols d'alúmina s'ha convertit inesperadament en la clau dels avenços: aquest aspecte fa referència a la forma de les partícules. Un estudi de la revista "Open Ceramics" del 2024 va comparar el rendiment de les pols d'alúmina esfèriques i irregulars en la impressió per deposició fusionada (CF³)5:
Pols esfèrica: flueix com sorra fina, la taxa d'ompliment supera el 60% i la impressió és suau i sedosa
Pols irregular: enganxada com el sucre gruixut, la viscositat és 40 vegades més alta i el broquet està bloquejat per dubtar de la vida útil
Encara millor, la densitat de les peces impreses amb pols esfèrica supera fàcilment el 89% després de la sinterització, i l'acabat superficial compleix directament l'estàndard. "Qui encara fa servir pols "lletja" ara? La fluïdesa és eficàcia en combat!" Un tècnic va somriure i va concloure5.
Futur: Les estrelles i els mars coexisteixen amb el petit i el bell
La revolució de la impressió 3D de pols d'alúmina està lluny d'acabar. La indústria militar ha pres la iniciativa en l'aplicació de nuclis de contracció gairebé nul·la per fabricar pales de turbofan; el camp biomèdic s'ha interessat per la seva biocompatibilitat i ha començat a imprimir implants ossis personalitzats; la indústria electrònica s'ha centrat en els substrats de dissipació de calor; al cap i a la fi, la conductivitat tèrmica i la conductivitat no elèctrica de l'alúmina són irreemplaçables.