多孔陶瓷是一種含有較多氣孔的無機非金屬材料,主要利用材料中的孔洞結構與材質本身結合而具有的性質來達到所需的功能。作為一種新型綠色環保的陶瓷材料,具有孔隙率高、滲透率高、比表面積大、體積密度小和熱導率低等優異特性。
多孔陶瓷從19世紀70年代開始發展,初期被用作鈾提純和細菌過濾材料使用。經過長時間的試驗發展,現如今其自身可調節的孔徑分布,配合上基體材料的光、電、熱、磁等物理力學性能可以在多個領域發揮作用,例如作為過濾材料、催化劑載體、吸聲材料、保溫隔熱材料、生物材料、紅外燃燒器等。
1 多孔陶瓷的制備方法
多孔陶瓷的制備工藝主要有添加造孔劑法、擠出成型法、溶膠-凝膠法、冷凍干燥法、發泡法、顆粒堆積法、3D打印法、熔鹽法、有機泡沫浸漬法等。區別于許多工藝制作更為成熟的傳統制備,3D打印法(Three-dimensional printing, 3DP)是近幾年發展起來的一種多孔陶瓷制備新方法。
3D打印利用計算機輔助設計(Computer aided design, CAD)的三維數據模型,通過打印頭噴射粘結劑將粉體層層堆積成最終產物。3D打印技術與反應燒結工藝的結合實現了復雜形狀陶瓷的無模制造與近凈尺寸成型。
2 實現3D打印的操作過程
實現陶瓷材料3D打印技術需要依靠兩個系統:
一是計算機軟件系統,即用來進行結構和圖形的設計,并將其轉換成通用的代碼語言;
二是接收指令的運作系統,即用來輸出打印最終的成品。
基本過程大致為:
①建立三維CAD模型(computer aided design,計算機輔助設計)。
②基于離散一疊加原理將其切片獲取許多分離的平面。
③傳遞至成型系統。
④利用CAM(computer aided manufacturing,計算機輔助制造)逐層打印出完整的零部件原型體。
3 視頻舉例:《泡沫陶瓷打印技術演示》
4 3D打印法制備多孔陶瓷的優勢與不足
3D打印法制備多孔陶瓷具有無污染、效率高及無需模具等特點,不僅可以用來制備微觀結構均勻、孔連通性好及形狀復雜的多孔陶瓷,而且還可以控制所制備多孔陶瓷的孔徑大小、孔形狀及孔隙率。3D打印技術的出現,有效地克服了傳統多孔陶瓷制備方法中存在的缺點。
例如在生物材料應用上:近年來,因羥基磷灰石、磷酸鈣、磷酸三鈣等多孔陶瓷優異的生物相容性,其在骨支架、整形外科、牙科等方面的應用也得到了一定的研究推廣。骨支架的孔隙率、孔形狀、孔尺寸和孔的連通性是控制生物組織生長和植入體/骨界面結合強度的重要參數,3D打印法為骨支架的制備提供了一種新穎簡便的方法,采用該工藝不僅可以在無模情況下制備出形狀復雜的支架,而且還可以通過CAD圖像數據控制產品的孔尺寸、形狀及連通性。
但是,該方法目前仍處于探索研究階段,工藝參數還需要進一步地完善。同時,目前的工藝尚無法通過3D打印直接制備出所需的多孔陶瓷成品,仍需結合反應燒結等工藝才能獲得最終的實體材料。因此,該方法今后的發展方向應該是:研究開發采用3D打印法一步制備目標多孔陶瓷的新工藝,使多孔陶瓷的制備技術實現質的飛躍。