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DIW 3D打印碳化硼陶瓷复合材料在装甲中的潜力

2024-11-07 21:08:12

行业新知



近日，山东理工大学Lijuan Zhang带领的团队在《Chemical Engineering Journal》发表了题为3D printed B4C-based honeycomb ceramic composite and its potential application in three-dimensional armor structure的研究，研究的主要内容是开发一种基于碳化硼（B4C）的蜂窝陶瓷复合材料，探讨了这种材料在三维装甲结构中的潜在应用。

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研究内容



碳化硼（B4C）因其极高的硬度、低密度和良好的耐磨性，被广泛用于装甲材料中。然而，传统的碳化硼陶瓷材料在实际应用中存在一定的脆性问题，这限制了其在一些需要高韧性的领域的应用。为了解决这一问题，研究人员希望通过3D打印技术制造具有蜂窝结构的B4C基复合材料，以提高材料的抗冲击性能和韧性。
研究人员使用直接墨水书写（DIW）技术来打印B4C基陶瓷复合材料。DIW技术允许通过控制打印墨水的流动和沉积，精确地构建复杂的几何结构。在这项研究中，研究团队开发了一种含有B4C微粉的打印墨水，成功地打印出具有蜂窝结构的复合材料。随后，这些打印出来的样品经过干燥、脱脂和烧结等工艺处理，形成最终的B4C基陶瓷复合材料。

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△图1，(a) B4C 油墨制备 B4C 基蜂窝陶瓷工艺示意图；(b) A1、A2 和 A3 油墨的粘度随剪切速率的变化；(c)、(d)、(e) 不同 B4C 浓度的 B4C 油墨的模量和印刷单块：66 wt% (A1)、68 wt% (A2)、70 wt% (A3)。

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△图2，不同BAC/PSZ比(a)和不同1µm/0.3µm（D50）碳化硼粉末比(b)的油墨的力学性能。

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△图3，DIW生产的碳化硼胚体采用不同的挤压孔（A2、D1和D2）和不同的打印速度（A2、E1和E2）。

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△图4，在不同温度下热处理的A2墨水印刷线的垂直部分。

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△图5，碳化硼样品在不同的状态下：(a)绿色状态；(b)固化状态；(c)烧结状态。

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△图6，PSZ和A2油墨的特性：(a)PSZ的TG-MS曲线；(b)A2油墨的TGA曲线；(c)不同热处理温度下A2油墨的FTIR光谱；(d)不同热处理温度下A2油墨的XRD光谱。

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△图7，1650◦c热处理A2油墨的HRTEM显微照片。

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△图8，(a)三维结构混合复合材料制备示意图；(b)、(d)三维结构混合复合材料的表面和垂直截面（基于未预处理B4C基蜂窝陶瓷）；(e)三维结构混合复合材料的表面和垂直截面（基于PSZ预处理B4C基蜂窝陶瓷）。

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△图9，(a)FTIR环氧树脂和PSZ-140，(b)环氧树脂的化学反应图和PSZ-140，(c)三维EDS三维结构混合复合材料基于未预处理B4c蜂窝陶瓷，(d)三维EDS光谱结构混合复合材料基于PSZ预处理B4c蜂窝陶瓷。

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△图10，固化环氧树脂(a)和PSZ-180 (b)的TGA值。

研究结论



这项研究成功地结合了3D打印技术和高性能陶瓷材料，展示了将先进制造技术应用于新型防护材料开发的巨大潜力。通过优化3D打印的材料配方和结构设计，研究团队在提高材料强度和韧性的同时，保留了碳化硼的轻质特点。这种具有蜂窝结构的B4C基复合材料为未来的防护装甲设计提供了一种新思路，特别是在需要高性能和轻量化的军事和工业应用中，具有广泛的应用前景。