行业应用实例-增材制造

伴随航天航空、3D打印等增材制造领域涉及方向的发展,目前对高性能、高可靠性的装备系统的需求推动日渐提升。高强度且高温性能优异但难加工特点的合金或复合材料,以及通用塑料、工程塑料、生物塑料、光敏树脂等高分子材料逐渐占据了研究发展的视野,蜂鸟声共振(HAM)技术可以在这些材料的初始加工阶段带来颠覆性的制备过程强化。

3D打印纳米多孔陶瓷:用于直接墨水书写(DIW)和投影微立体光刻(PμSL)的可调原料

多孔陶瓷材料展现出广阔的应用前景,这要求在多个尺度上对其结构进行精确控制。因此,采用增材制造(AM)技术进行多孔陶瓷的制造对于提升设计的灵活性至关重要。 运用声共振技术处理纳米陶瓷油墨,旨在破碎团聚体并有效分散颗粒,从而确保纳米颗粒的均匀分散。 研究结果表明,通过简单调整3YZ油墨的组成,即可实现相同油墨基料适用于墨水直写(DIW)与投影微粒体光刻(PμSL)两种AM技术,这免除了单独且繁琐的油墨开发过程。

高效生产高性能弥散强化多元合金

多主元素合金是一类有用的材料,因其具备卓越的机械性能和抗氧化性,尤其在极端环境下表现突出。研究者们采用模型驱动的合金设计方法,结合激光增材制造技术,开发出了一种新型的氧化物弥散强化的NiCoCr基合金,这种氧化物弥散强化合金被命名为GRX-810。 它利用声共振混合技术有效地包覆了NiCoCr粉末。与通过机械合金化(MA)方法得到的高度变形片状粉末相比,GRX-810粉末保持了其球形形态,更适合用于增材制造(AM)。
通过对合金微观结构进行高分辨率表征,研究者们展示了纳米级氧化物在GRX-810整体构建体中成功结合与均匀分散。与传统多晶锻造镍基合金相比,在1093℃的高温条件下,GRX-810显示出其强度提高了两倍,蠕变性能提高了1000多倍,抗氧化性也提升了两倍。 这种合金的成功开发,展示了将声共振弥散强化与增材制造工艺相结合的未来合金研发方向,能够加速革命性新材料的发现进程。

高固体含量高氯酸铵复合推进剂的增材制造

火箭中固体推进剂的有效燃速取决于其表面积和推进剂成分。目前,固体推进剂的表面几何形状仅限于使用模具等传统铸造方法得到的形状。 增材制造(AM)技术能够创造出独特的推进剂颗粒几何形状,但是,利用现有打印机来处理高固体含量和高粘度的推进剂仍面临诸多挑战。
为了满足制造需求,即打印出固体含量为85wt%、粘度高达6900万厘泊的推进剂,需要开发一种新的、经过充分表征的工艺来获得高固体含量和粘度的混合物, 解析复杂的几何形状,并打印更广泛的高能材料。为了避免传统螺杆挤出机在处理高能混合物时可能引发的安全问题,采用声共振混合技术来制备推进剂配方,并开发了专用的AM方法。
这种方法可精确成形高固体含量和高粘度的混合物,该系统还能够打印其他配方,例如金属化推进剂、含嵌入颗粒的混合颗粒和高能聚合物,可以用来制造各种复杂的晶粒结构,这是以前无法制造的,这一技术可用于探索复合推进剂制造的新极限。

碳纤维增强碳化硅火箭喷管的增材制造

CMCs(连续纤维增强陶瓷基复合材料)作为先进材料,在航空航天工业的高温应用领域受到广泛关注,并展现出在固体火箭发动机(SRM)环境中应用的潜力。 生产CMCs的方法有多种,包括硅渗透、化学气相沉积和聚合物热解。碳纤维增强碳化硅(C-SiC)复合材料的微观结构和烧蚀性能已经过研究,并证明其在固体火箭发动机应用中具有潜力。 然而,之前描述的C-SiC复合材料的生产方法既昂贵又耗时。
本研究采用声共振混合技术,以80g的强度进行三次3分钟的循环,混合物的性质在几天内保持稳定,这使其在这段时间内保持可印刷性。最终配方的粘度足以在3D打印过程中保持形状,因此在部件热固化之前变形极小。
为了解决这一问题,科研人员通过在聚乙烯基体中添加高介电常数的纳米填料来提高绝缘性能。这些纳米填料能够散射电荷,减少空间电荷的积累,从而提高材料的电气性能。 例如,石墨烯纳米片(GNPs)和碳黑等纳米碳材料因其高介电常数和优异的导电性能而成为研究的热点。 这些材料可以用来制备LDPE/石墨烯纳米片绝缘纳米复合材料,这种材料有望提高电缆的电压等级,尤其是在地下和海底电缆的应用中。
本研究证明了新的增材制造技术,特别是变量气压(VAP)技术,生产高碳含量(55 wt%)的先进陶瓷复合材料的能力,这些材料适用于固体火箭喷管。 高碳纤维负载确保了最终部件保持其结构完整性。材料的精确沉积可以制造出精细分辨的结构,并且有可能控制3D打印部件内部的纤维取向。