低温一步3D打印高性能陶瓷：美国防部3千万元重点资助项目介绍

3D打印技术参考于10月3日注意到，美国宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程副教授Robert Hickey和密歇根州立大学Michael Hickner教授等组成的联合团队新获得了美国国防部（DoD）通过海军研究办公室（ONR）授予的为期五年、总金额高达450万美元的多学科大学研究计划资助（MURI），用于探索一种能够在较低温度下生产高性能陶瓷的创新激光3D打印技术。

该项目名为“前陶瓷聚合物的光化学和光热增材制造（Photochemical and Photothermal Additive Manufacturing of PreceramicPolymers）”，旨在开发一种无需整体加热即可生产超高温陶瓷的单步工艺。研究团队专注于利用光能将聚合物前体转化为最终的陶瓷产品。

Robert Hickey表示，目前陶瓷成型面临的最大挑战是需要高温和高能量，这对3D打印来说尤为困难，使用这些材料进行精确3D打印的难度很高。

传统的聚合物前体转化为陶瓷的过程需要将整体材料加热到高温，这可能导致多达50%的前体材料损失，并改变成品陶瓷部件的几何形状，从而影响3D打印的精度。

然而，研究人员相信，通过利用高强度激光，可以在前体材料中引发化学反应，使其迅速固化成坚硬的陶瓷材料，而无需整体加热。这种方法有望实现快速、高精度的3D打印，因为光加热的速度比传统热处理方法更快。

3D打印技术参考注意到，西北工业大学苏海军教授团队于日前就报道了一种通过激光粉末床熔融技术制备复杂结构氧化物共晶陶瓷的方法。该团队创新性地制备出了具有不同形状、表面光泽的三元共晶陶瓷试样。研究指出，该技术有望突破一步法直接制备大尺寸复杂结构陶瓷的瓶颈，这项研究为直接制备超高温凝固态具有超细微组织和复杂结构的氧化物共晶陶瓷提供了理论基础和技术支持，在航空航天、机械、化工等领域具有巨大的应用潜力。

西工大苏海军教授团队SLM技术直接3D打印陶瓷

对于美国防部这一项目，Robert Hickey强调：“我们急需找到降低这些陶瓷转化或制造所需能量的方法，并防止在打印和加工过程中出现大尺寸精度变化。因此，我们正在研究如何利用光将聚合物转化为陶瓷，并最终实现高性能陶瓷的3D打印。”

宾夕法尼亚州立大学在陶瓷科学和材料化学方面拥有数十年的传统，并长期参与美国国防部重点研究。研究团队还包括麻省理工学院（MIT）和南加州大学（USC）的研究人员。联合团队中的计算和实验研究人员已经建立了紧密的联系。MURI计划旨在组建跨学科的研究团队，探索多个传统技术学科交叉的高优先级课题和机遇。这种多学科方法对于许多军事问题来说至关重要，有助于激发创新、加速研究进展，并推动研究成果在海军领域的应用。

宾夕法尼亚州立大学Robert Hickey

该项目将涉及新型前体的合成、探索促进光基陶瓷转化的不同方法、获取对反应转化途径的计算信息，并将其反馈到前体的设计和合成中。

Robert Hickey表示，这是实验与模拟理论的完美结合。研究人员将把初步结果输入到模拟中，从而预测新的聚合物前体，以获得更好的结果。因此，这种由理论和模拟提供的反馈回路将帮助重新设计新的聚合物材料。此外，模拟还可以为尚未通过实验验证的化学反应指明方向。

这一发现可能对未来在先进高超音速飞行器领域产生深远影响。采用新3D打印技术制造能够在超高温度下工作的、具有复杂结构陶瓷部件的能力，将为再入飞行器的研发提供更多可能性。

来自吕坚院士团队形状记忆陶瓷的4D增减材制造

宾夕法尼亚州立大学机械工程系Adrivan Duin教授指出，该项目将为多种高温碳化物（如碳化钨）和硅基陶瓷（如碳化硅和氮化硅）等的陶瓷材料3D打印开辟新途径。此外，项目还将建立新的计算能力来预测高能反应中间体，这将有助于设计新的前体和加工方案。

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