氧化鋁陶瓷光聚合增材制造技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展建議

增材制造（Additive Manufacturing）也被稱為3D打?。?D printing），是一種通過特定的打印設(shè)備，將材料采用逐層累加的方式將數(shù)字化模型快速而精密地制造為實體零件的新興制造加工技術(shù)。增材制造不受零件結(jié)構(gòu)和材料限制，理論上可以實現(xiàn)任何形狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)品化，被譽為“第三次工業(yè)革命的重大標(biāo)志”。增材制造技術(shù)始于20世紀(jì)80～90年代。自1984年第一件專利、1992年第一篇論文問世以來，增材制造技術(shù)以其巨大的應(yīng)用前景，吸引了全球?qū)W者以及工業(yè)界人士的目光

。現(xiàn)在，增材制造技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空、汽車、醫(yī)療、能源等多個領(lǐng)域

。

陶瓷材料增材制造的工業(yè)應(yīng)用比聚合物和金屬晚十多年。陶瓷材料熔點較高，無法像聚合物和金屬材料一樣直接在其熔點以上進(jìn)行增材制造。大多數(shù)陶瓷材料增材制造工藝是間接的，需要使用粘合劑等將陶瓷粉末固定在一起，然后通過脫脂、燒結(jié)等幾個后處理步驟去除粘合劑，并將陶瓷粉末固化成最終幾何形狀，達(dá)到最終性能要求

。

氧化鋁（Al

O

）是應(yīng)用最廣泛的陶瓷材料之一。氧化鋁大體被分為兩種；一種是用于電解法生產(chǎn)金屬鋁原料的冶金級氧化鋁；另一種是用于生產(chǎn)各種先進(jìn)陶瓷產(chǎn)品以及用于化工過程的原料，過去被稱為化學(xué)品氧化鋁、多品種氧化鋁等，自2021年10月新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)頒布后，此類產(chǎn)品被統(tǒng)稱為精細(xì)氧化鋁。

本文調(diào)研和總結(jié)了近年來氧化鋁陶瓷增材制造技術(shù)的研究進(jìn)展，結(jié)合自身工作提出了發(fā)展氧化鋁增材制造技術(shù)的思考與建議，以期為科研人員、企業(yè)管理人員以及政策制定者等提供參考。

2.2 病例組與對照組治療后各指標(biāo)的比較 治療后病例組和對照組相比，只有尿素和乳酸差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，其他指標(biāo)，如：血糖、三酰甘油、總膽固醇、HDL、LDL、凝血酶原時間等指標(biāo)差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。

1 陶瓷材料光聚合（VP）增材制造的一般過程

氧化鋁是最常用的一種陶瓷材料。與一般的陶瓷材料一樣，氧化鋁陶瓷的光聚合制造過程也需要漿料制備、固化成型、后處理等幾個步驟。

1.1 陶瓷漿料制備

首先將陶瓷粉末加入可光固化的溶液中，高速攪拌制備高固相含量、低粘度的陶瓷漿料。陶瓷漿料主要由單體、光引發(fā)劑、主成分陶瓷粉等組成。此外，還可能包括分散劑、增塑劑、其他陶瓷粉體等成分

。

1.2 固化成型

該步驟一般采用商業(yè)化的光固化成型機(jī)，使陶瓷漿料逐層固化得到陶瓷零件生坯。光聚合固化成型的基本原理是由單體、低聚物和光引發(fā)劑等混合組成的懸浮液，在光照條件下，光引發(fā)劑釋放新物質(zhì)并在單體和低聚物之間成鏈，導(dǎo)致材料固化。

1.3 后處理

為獲得致密的陶瓷零件，光固化后的陶瓷生坯需要再通過加熱去除粘接劑等有機(jī)成分（脫脂），最后再進(jìn)行燒結(jié)。

教師在工作過程中的權(quán)利被侵害后，或者不知道應(yīng)對措施，或者不知道權(quán)利救助部門，往往聽之任之，教師的權(quán)利保護(hù)意識普遍缺乏?！叭吮恍Q為應(yīng)當(dāng)是不斷探究他自身的存在物——一個在他生存的每時每刻都必須查問和審視她的生存狀況的存在物。”[12]教師的工作環(huán)境權(quán)的自我維護(hù)實際上就是一種權(quán)利自救過程，只有當(dāng)教師知曉自己所享有的權(quán)利，并且在權(quán)利受到侵害后能主動維護(hù)自己的權(quán)利，才能夠進(jìn)行自我管理，實現(xiàn)工作環(huán)境權(quán)的自覺，那么工作環(huán)境權(quán)才能發(fā)揮應(yīng)有的對教師個體的保護(hù)作用。

2 氧化鋁陶瓷光聚合制造工藝

根據(jù)ISO/ASTM 52900：2015標(biāo)準(zhǔn)，增材制造技術(shù)共分為7類

：光聚合（vat photopolymerization,VP）：粘合劑噴射（binder jetting,BJ）；材料噴射（material jetting,MJ）；材料擠壓（material extrusion,ME）；粉末床熔融（powder bed fusion,PBF）；薄板層壓（sheet lamination,SL）以及直接能量沉積（directed energy deposition,DED）

。其中，光聚合（VP）是陶瓷材料增材制造最早出現(xiàn)

、也是最重要

的方法之一，通常由以下步驟構(gòu)成：

2.1 光聚合用氧化鋁粉體的基本特征

光聚合原料是含有陶瓷顆粒的懸浮液，其特性對光聚合過程以及最終成品質(zhì)量有很大影響。光聚合用陶瓷漿料既需要有比較大量的陶瓷填料以確保燒結(jié)后零件致密，又需要有較低的粘度以保證適當(dāng)?shù)牧鲃有?/p>

。然而，同時滿足這兩個條件是比較困難的，因為漿料固體負(fù)載量越高，粘度越大。光聚合用氧化鋁粉體的一些基本特征包括：

向增材制造產(chǎn)品設(shè)計方面延伸。與拓?fù)鋬?yōu)化（topology optimization）等新興數(shù)字設(shè)計制造技術(shù)相結(jié)合，發(fā)揮出增材制造過程“自由制造”的巨大優(yōu)勢，拓展氧化鋁陶瓷增材制造產(chǎn)品的應(yīng)用場景。

這樣跳了許多次以后，寶寶有把握不摔倒了，再進(jìn)一步練習(xí)從桌子上跳。寶寶在滿足了這項嘗試后，就不再偷偷去跳了。

（2）顆粒尺寸與形狀：納米級的精細(xì)顆粒（如50nm）可以提高燒結(jié)密度，但通常會增加懸浮液的粘度。盡管目前已有設(shè)備可以處理高粘度漿料，但通常加工成本較高、速度較低

。有文獻(xiàn)總結(jié)，用于增材制造的陶瓷漿料平均粒徑通常在90至500 nm之間。顆粒形狀也會顯著影響懸浮液的流變性。采用非球形顆粒，會使?jié){料產(chǎn)生更大的粘性，從而降低陶瓷粉末的負(fù)載量

。

（3）粒度分布：有大量研究表明，具有更寬粒徑分布的懸浮液可能顯示出更高的流動性。例如，Wu等人

研究了使用50納米、9微米兩種粒徑的氧化鋁原料進(jìn)行光聚合增材制造的差異。結(jié)果表明，原料中同時含有微米和納米氧化鋁顆粒，比擁有單一的納米或微米氧化鋁顆粒，制備出的陶瓷零件致密度更高。

姜大爹說這話時，視線從我們頭頂越過去，瞄著鐵冶的方向。他早已年過古稀，拄著摸得溜光的檀木拐杖，須髯飄飄，一副仙家的做派。

2.2 光聚合用氧化鋁陶瓷漿料體系

結(jié)合近年來冶金、材料等領(lǐng)域發(fā)展趨勢，圍繞氧化鋁陶瓷光聚合增材制造技術(shù)，主要科研方向建議為：

教師是教育學(xué)生最直接的人，教師為了滿足以上種種需求，就要想辦法提升學(xué)生成績。但是，大部分教師的思想觀念比較傳統(tǒng)，提升學(xué)生成績采用的方式比較單一。思想傳統(tǒng)導(dǎo)致教師只是一味地追求成績，以成績優(yōu)劣作為衡量學(xué)生優(yōu)秀與否的標(biāo)準(zhǔn)。教學(xué)方式單一，導(dǎo)致教師只會采用應(yīng)試教學(xué)的方式，增加作業(yè)量，實行題海戰(zhàn)術(shù)提升學(xué)生成績。這些問題都使學(xué)生課業(yè)負(fù)擔(dān)過重。

2.3 氧化鋁陶瓷光聚合后處理制度

我國氧化鋁工業(yè)從計劃經(jīng)濟(jì)時代的起步，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)體制轉(zhuǎn)型時期的彷徨、全球化下的群雄并起、經(jīng)濟(jì)發(fā)展新常態(tài)下的走出國門等不同發(fā)展階段，“十三五”末我國氧化鋁產(chǎn)量已占到全球54%

。近年來，隨著冶金級氧化鋁生產(chǎn)成本增加，越來越多的氧化鋁企業(yè)開始涉足精細(xì)氧化鋁。2020年我國精細(xì)氧化鋁產(chǎn)量已超過354萬噸，在全球占比超過45%，已成為名副其實的精細(xì)氧化鋁大國

。面向?qū)崿F(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)的新時代要求，抓住增材制造等尖端前沿技術(shù)發(fā)展機(jī)遇，推進(jìn)我國氧化鋁工業(yè)轉(zhuǎn)型升級，對促進(jìn)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)高級化和產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化、實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。一些思考與建議如下：

3 氧化鋁陶瓷光聚合增材制造技術(shù)發(fā)展的思考與建議

常用的氧化鋁陶瓷脫脂溫度為600℃

，燒結(jié)溫度為1600℃

。在部分實驗中，研究人員會根據(jù)體系特點對脫脂和燒結(jié)溫度進(jìn)行微調(diào)

。

3.1 突破關(guān)鍵核心技術(shù)

光聚合用氧化鋁陶瓷漿料體系很多。常用的單體為1,6-己二醇二丙烯酸酯（HDDA）

等，常用的光引發(fā)劑為1-羥基環(huán)已基苯基酮（HCPK）

等。為進(jìn)一步提升陶瓷零件質(zhì)量，研究人員還會在漿料體系中添加油酸

等改性劑以及MgO粉

等其他陶瓷粉。在一些實驗中，研究人員也會直接購買已經(jīng)調(diào)配好的陶瓷漿料

。

低成本、高效率、高精度、高性能的光聚合制備工藝。通過對光聚合工藝參數(shù)的選擇以及后續(xù)脫脂燒結(jié)等工藝制度匹配等方面的研究，開辟出成本更低、速度更快，且零件精度更高、力學(xué)性能更好的技術(shù)路徑。

綠色、環(huán)保的陶瓷漿料體系。選擇環(huán)境友好、無毒無害的單體和光引發(fā)劑等陶瓷漿料體系，同時進(jìn)一步研究提升體系的能量轉(zhuǎn)換效率，實現(xiàn)光聚合過程快速、環(huán)保、節(jié)能。

氧化鋁陶瓷粉體表面改性。通過采用添加偶聯(lián)劑、脂肪酸、有機(jī)酸等表面改性劑，或其他陶瓷氧化物進(jìn)行包覆和增強(qiáng)等方法，進(jìn)一步提高陶瓷粉體的分散性和表面特性，從而實現(xiàn)在較高固含體積分?jǐn)?shù)基礎(chǔ)上，將漿料粘度保持在合理的低值范圍。

（1）純度與晶型：根據(jù)大多數(shù)文獻(xiàn)的報道，光聚合用氧化鋁陶瓷粉體通常要求純度達(dá)到99.99%，晶型通常為α-氧化鋁。部分研究人員也會采用其他晶型的氧化鋁為初始材料，通過熱處理過程轉(zhuǎn)變?yōu)棣?氧化鋁后再進(jìn)行增材制造。

(2) 光纖pH傳感器是由光譜分析技術(shù)和光纖傳感技術(shù)相結(jié)合構(gòu)成的一種pH檢測裝置。它以光纖為傳輸元件，將pH敏感膜固定在載體上(固定在光纖的一面)，構(gòu)成pH探針。當(dāng)溶液中的H+與pH敏感膜作用時，指示劑分子的結(jié)構(gòu)隨之改變使得薄膜的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，光纖pH傳感器通過檢測光纖中傳播的光特性變化來檢測溶液pH。近年來，研究人員不斷通過選用新的指示劑、新的固定載體、改進(jìn)pH檢測方法等各種方法進(jìn)一步優(yōu)化光纖傳感器的性能，使其能更好地適用于不同的領(lǐng)域中。

3.2 深化產(chǎn)學(xué)研合作

發(fā)揮企業(yè)的創(chuàng)新主體作用，充分利用我國鋁產(chǎn)業(yè)規(guī)模優(yōu)勢，氧化鋁企業(yè)產(chǎn)品進(jìn)一步向精細(xì)化工方向延伸，開發(fā)適應(yīng)于我國鋁資源特點、適應(yīng)不同應(yīng)用場景需求的高純、超細(xì)、多形貌、多功能的精細(xì)氧化鋁產(chǎn)品；

用好高校、科研機(jī)構(gòu)在增材制造方面的技術(shù)積累，氧化

鋁企業(yè)加強(qiáng)與高校、科研機(jī)構(gòu)等的合作，組成聯(lián)合團(tuán)隊，為制備高性能、復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷產(chǎn)品提供綜合解決方案。

3.3 探索全新的產(chǎn)業(yè)化機(jī)制

市場對光聚合用氧化鋁陶瓷粉體及漿料有“多品種、小批量、高質(zhì)量”等要求，但傳統(tǒng)大型工廠的生產(chǎn)組織方式通常與“多、小、高”產(chǎn)品不相匹配。建議相關(guān)大型企業(yè)可以孵化一些小的初創(chuàng)公司，采用“一個團(tuán)隊、一個產(chǎn)品、一個工廠”等模式，引入創(chuàng)投基金等社會資本，打通研發(fā)到成果轉(zhuǎn)化、市場轉(zhuǎn)移的全鏈條，打造“專精特新”小巨人和單項冠軍企業(yè)。

4.促進(jìn)了企業(yè)管理制度的完善和深化。工程法律風(fēng)險防范機(jī)制的建設(shè)，完善了項目管理流程和制度，規(guī)范了項目運營行為，加強(qiáng)了內(nèi)部控制，支持了全面風(fēng)險管理，促進(jìn)了企業(yè)管理的規(guī)范化、制度化、體系化。通過實行工程項目重大決策法律論證制度、優(yōu)化資源配置、組建工程項目聯(lián)合體、建立風(fēng)險信息溝通協(xié)調(diào)機(jī)制，對于提升企業(yè)特別是施工企業(yè)公司執(zhí)行力，提高抗風(fēng)險能力和國際競爭能力，具有導(dǎo)向性的作用.

3.4 加強(qiáng)政府引導(dǎo)

目前全球范圍內(nèi)陶瓷增材制造都處于研究開發(fā)階段，距離大規(guī)模的商業(yè)化還有一段距離，是我國在材料和新興制造技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“彎道超車”的一次機(jī)遇。建議進(jìn)一步用好新型舉國體制，充分發(fā)揮政府主導(dǎo)作用，凝聚產(chǎn)學(xué)研用金各方力量，加大資金和政策的引導(dǎo)和支持力度，為推進(jìn)陶瓷增材制造以及高品質(zhì)原材料制備技術(shù)攻關(guān)以及產(chǎn)業(yè)化提供支撐，使我國陶瓷增材制造在全球競爭中處于領(lǐng)跑地位。

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