陶瓷结实、轻便并且比许多金属更耐热，是制造飞机或火箭零件的理想材料。日前，著名研究机构HRL实验室开发的一种新型3D打印技术，使它们能够克服传统陶瓷加工的限制，创造坚固、无瑕的陶瓷制品。例如，航天飞机上的隔热砖就是由陶瓷制成的。
陶瓷3D打印机可以建造太空飞船
研究人员说，他们的技术将使任何人都能3D打印几乎不会破裂的陶瓷，这些3D打印陶瓷可以被制作成复杂、弯曲或多孔的形状。陶瓷的主要优点之一是它们在高温下具有高度的稳定性，此外还具有优良的环境耐性和强度。
研究人员一直在寻找方法来3D打印陶瓷，主要障碍之一是陶瓷颗粒的属性，因为这些陶瓷颗粒在加热时不会结合在一起。因此，已经开发出的少数3D打印技术生产陶瓷的速度缓慢，并且生产出的物品也容易破裂。
HRL的高级化学工程师Zak Eckel和高级化学博士Chaoyin Zhou采用硅氧基聚合物改进了这些工艺，在聚合时限制紫外光使得增材物品不需要UV固化步骤。该发明基本上是一种树脂配方，几乎可以被3D打印成任何形状和尺寸的零件。
“我们团队克服陶瓷工艺的固有挑战，开发出一种在各类行业有无数用途的新材料，”HRL Sensors和Materials Laboratory的资深科学家Tobias Schaedler博士解释说。“所得到的材料可以承受超过1700°C的高温，并且表现出高于类似材料十倍的强度。”
当聚合物被打印后，该零件被加热到高温燃烧掉氧原子，从而形成一个高度致密和坚固的碳化硅产品，它可以承受超过1700°C的高温，并表现出高于类似材料十倍的强度。
“从喷气发动机和超音速飞行器的大型构件，到微机电系统和电子器件包装中的复杂零件，通过该工艺都可以制作，”Schaedler解释说。HRL 和 DARPA所资助的该研究的进一步技术信息，包含在本月Science的报告中，351卷第6268页58-62行。
“与金属和聚合物相比，陶瓷极高的熔点增加了增材制造的挑战。由于陶瓷不容易被铸造或加工，3D打印在几何可塑性方面是一个大飞跃。我们报告的有机单体，在光固化3D打印机上或通过图案化的掩模进行紫外光固化，形成了有复杂形状和蜂窝结构的3D聚合物结构。
这些聚合物结构可以被热解成均匀收缩几乎无孔的陶瓷。用这种方法制备的碳氧化硅晶阵和蜂窝材料比相同密度的泡沫陶瓷有更高的强度。这些材料的增材制造对于推进部件、热防护系统、多孔燃烧器、微机电系统、电子设备包装均有帮助。”
“通过新的3D打印工艺，我们可以充分利用碳氧化硅陶瓷的许多优良性能，如高硬度、强度及耐高温性能以及抗磨损和腐蚀。”项目经理Tobias Schaedler博士说。
该方法有利于航空航天和国防工业
在大多数情况下，耐热陶瓷很难3D打印的，因为它们必须承受极高的温度才能融化，因而大多数通过增材制造生产陶瓷材料的最新技术往往是受限的，Popular Mechanics说。
Eckel和他的同事们找到了一种类似于塑料的材料，当它在炉内加热时会变换成陶瓷。该材料是由树脂制成，在氩气的保护下使用紫外线照射并加热到1000摄氏度，被转换成100微米厚的塑料状物质，他们补充说。
HRL Laboratories的工程师Zak Eckel说，花费这么长时间从3D打印机上得到陶瓷制品因为“陶瓷工艺是非常困难的工艺”。但由于他的工作，这些都已改变。Eckel和他的团队已经成功地打印出一种材料，它最初看起来像塑料，但一旦加热就会变成陶瓷。正如Popular Mechanics解释的，“该团队使用一台3000美元的打印机来打印100微米厚的层，这是通过树脂制作的塑料样的材料。树脂包含了形成坚韧陶瓷需要的所有分子。打印的过程是通过紫外线小心蚀刻树脂层，将小分子团（称为单体）融合成长的塑料状链（称为聚合物）。”
首次制造3D打印碳化硅陶瓷的初步试验被证明是成功的，Eckel团队认为他们也可以使用同样的方法制作其他类型的陶瓷。他们的工作可能有益于航空航天业，其火箭的许多部分依赖陶瓷元件，这也引起了DARPA的兴趣。
使用电子显微镜分析最终产品，研究人员检测到无气孔或表面裂纹。进一步的测试表明，陶瓷材料能承受1400摄氏度（2552华氏度）才会开裂或收缩。
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