Харбінський технологічний університет зробив новий прорив у технології 3D-друку діамантами

Основна анотація: Нещодавно професор Чжу Цзяці з Харбінського технологічного університету запропонував метод регулювання точності насичення ембріона при виробництві сполучної добавки, заснованої на швидкому процесі затвердіння на місці.

Джерело: матеріалознавство та інженерія

Нещодавно професор Чжу Цзяці з Харбінського технологічного університету запропонував метод регулювання точності насичення ембріона в процесі виробництва сполучних спрей-добавок на основі швидкого процесу затвердіння на місці. Відповідно до цього методу може бути реалізовано формування ембріона високої точності/насиченості, а внутрішній зв’язок між міцністю самої сполучної речовини та міцністю ембріона може бути максимально посилений, що має велике значення для фундаментальних досліджень з формування якості в галузі виробництва клейових добавок.

Відповідні досягнення були опубліковані в Additive Manufacturing, провідному міжнародному журналі з адитивного виробництва, під назвою «Подолання проникнення – економія компромісу» у струминному адитивному виробництві зв’язувального за допомогою швидкого різання на місці.

Посилання на статтю: https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103157

Фон дослідження

Композитні матеріали з алмазною/металевою матрицею вважаються наступним поколінням матеріалів для терморегулювання через їхню високу теплопровідність і низьке теплове розширення, а також мають великі перспективи застосування. Однак через високу твердість алмазу в даний час не існує хорошого методу подальшої обробки, такого як полірування та полірування, тому процес формування майже сітки матричних композитів алмаз/метал є центром поточних досліджень. Серед них технологія 3D-друку алмазно-металевих матричних композитів привернула велику увагу.

Binder Jetting (BJ) — це технологія 3D-друку, застосовна до різних матеріалів. Під час обробки сполучна речовина спрямовано наноситься на шар порошку для отримання ембріона зі складною тривимірною структурою. На взаємодію між сполучною речовиною та порошком впливають фізичні властивості відповідної твердо-рідинної системи та структура пор порошкового шару, що ускладнює точний опис усього процесу друку за допомогою простої фізичної моделі. Завдяки PSTO існує неминуче протиріччя між точністю розміру та міцністю ембріонів, вироблених BJ. Міцність тіла ембріона зростає зі збільшенням ефективного насичення, але збільшення відстані проникнення негативно впливає на точність його розміру. Щоб подолати PSTO, дослідники часто зосереджуються на оптимізації параметрів обробки (таких як розмір частинок порошку, товщина шару або умови сушіння). Незважаючи на те, що дослідники доклали великих зусиль у цій галузі, проблема PSTO не була вирішена належним чином.

Рис. 1 Принципова схема принципу інжекції в’яжучого

зміст дослідження

У цьому дослідженні, щоб подолати PSTO, дослідницька група розробила технологію швидкого затвердіння на місці (швидке затвердіння клеїв під час друку) добавок для розпилення клеїв на основі акрилового клею, розробленого власними силами. Використання чистого мідного порошку як друкарського матеріалу заклало основу для досліджень адитивного виробництва алмазно-мідних композитів.

Рис. 2 Характеристика ефективності швидкотвердіючого акрилового клею

(a) Криві TGA та DSC сполучного, (b) Крива DSC сполучного, (c) FTIR зв’язуючого без TBPB, нагрітого при різних температурах, (d) FTIR 2 масових відсотків TBPB зв’язуючого, нагрітого при різних температурах

На малюнку 3 показано співвідношення між відстанню проникнення та часом струменевого друку. У зразках, які не затверділи на місці (клей не затвердів під час процесу друку), відстань проникнення в основному залежить від кількості одного струменевого струменю, яка трохи збільшується зі збільшенням кількості струменевого друку. Навпаки, у зразках, затверділих in situ, відстань проникнення значно зросла зі збільшенням кількості струменевого струменю.

Рис. 3 Зв'язок між відстанню проникнення, насиченістю та часом введення

(a) Затвердіння не на місці, (b) Затвердіння на місці

За умови напівзатвердіння на місці (традиційний процес затвердіння клею за допомогою інфрачервоної лампи) відстань проникнення в основному залежить від загальної кількості одношарового клею, і відстань проникнення збільшується зі збільшенням кількості нанесеного клею. Оскільки насиченість кожного шару перекривається в багатошаровому друкованому зразку, насиченість багатошарового друкованого зразка перевищує насиченість одношарового друкованого зразка. Порівняно з методом друку без затвердіння на місці, напівполімерне затвердіння з такою ж насиченістю має меншу відстань проникнення, що показує, що напівзатвердіння на місці може певною мірою зменшити відстань проникнення та подолати PSTO. На основі вищезазначеного аналізу були встановлені моделі проникнення клеїв за різних процесів.

Рис. 4 Створення моделі процесу інфільтрації при різних процесах

(a) Затвердіння не на місці, (b) Напівзатвердіння на місці, (c) Затвердіння на місці

Співвідношення між відстанню інфільтрації та насиченням показано на малюнку 5. За умов затвердіння не на місці відстань проникнення в основному залежить від кількості одноразового введення в’яжучого, а насичення збільшується з кількістю введень в’яжучого; При певній насиченості відстань проникнення зразка, затверділого на місці, є найнижчою, що долає PSTO, принесений традиційним BJ.

Рис. 5 Зв'язок між відстанню проникності та насиченістю

Резюме та перспективи

У цьому дослідженні дослідницька група розробила метакрилатну адгезивну систему з термічним ініціюванням і швидким затвердінням, яка довела, що умови затвердіння на місці можуть підвищити точність і міцність друку ембріонів. Були проведені експерименти з одношаровим і багатошаровим друком, щоб визначити характеристики друку порошкової зв’язувальної системи за різних умов друку та затвердіння, забезпечивши основу для отримання фізичних моделей друку на місці, напів-на місці та на місці. . Крім того, обговорювалося співвідношення між насиченням і відстанню проникнення, пов’язане з різними умовами затвердіння. Це дослідження є орієнтиром для подальшого розвитку адгезивів, що твердіють на місці (активуються УФ або теплом), і технології друку.

Трансформація та застосування

Взявши як приклад композити алмаз/мідь, мідь та її сплави мають чудову теплопровідність (350 Вт/м·K) і відмінну несучу здатність на вигин, а також широко використовуються у високоефективних терморегулюючих матеріалах. Алмаз є матеріалом з найвищою теплопровідністю в природі, і його теплопровідність може досягати 2000 Вт/м · К. Таким чином, структура/теплопровідність інтегрованого матеріалу з алмазно-мідним композитом як система має відмінні механічні властивості, але також має висока теплопровідність понад 700 Вт/м · К і менше 10 × Низький коефіцієнт теплового розширення 10-6 є найбільш потенційним матеріалом для вирішення проблеми розсіювання тепла електронних пристроїв. У майбутньому використання алмазно-мідних композитів не обмежується основними формами, такими як круглий шестикутник, і попит на гетерогенні алмазно-металічні композити зростає. Однак алмазний матеріал дуже твердий, а вартість обробки становить понад 65 відсотків від загальної вартості матеріалу, що робить традиційне гаряче пресування спікання та інші методи неефективними. Ця технологія є гарною ідеєю для високоточного адитивного виробництва алмазно-мідних та інших матриць алмазно-металових композитів, а також вносить нову життєву силу в дослідження адитивного виробництва алмазно-мідних матеріалів. Він має великий потенціал застосування в радарах, транспортних засобах з новою енергією, енергетичних пристроях, електроніці 3C та інших інтегрованих полях теплового потоку структурного розсіювання тепла.

Лабораторія самостійно розробила серію матричних композитів алмаз/метал, включаючи, але не обмежуючись цим, алмаз/мідь, алмаз/титан, алмаз/вольфрам, алмаз/нікель тощо, і розробила відповідні процеси підготовки партій. На основі мікроструктури мікромасштабних матеріалів встановлюється модель теплопередачі. У поєднанні з моделюванням процесу росту кристалів карбіду та розрахунком моделі кристалічної структури теплового опору межі розділу завершено розробку та оптимізацію принципу розрахунку теплопередачі композитного інтерфейсу. Оригінальний керований процес алмазної металізації забезпечує гарантію багатомасштабної оптимізації теплопровідності матричних композитів алмаз/метал.

Рис. 6 Алмазно-мідний порошок, незалежно розроблений лабораторією

На основі досліджень і розробок порошкових матеріалів з матрицею алмаз/метал і оптимізації процесу адитивного виробництва лабораторія розробила композиційний матеріал алмаз/метал, представлений алюмінієм і міддю, який підходить для формування різнорідних деталей. Теплопровідність становить до 700 Вт/м · K, а коефіцієнт теплового розширення менше або дорівнює 10 × 10-6, міцність 220 МПа має величезний потенціал застосування в області теплового керування. Завдяки багатомасштабній оптимізації структури теплопровідності покращується ефективність терморегулювання алмазно-мідних композитів, усувається вузьке місце низької загальної теплопровідності композитів, а також реалізується проектування та виготовлення складних і ефективних структур терморегулювання, що значно покращує розширює перспективи застосування матричних композитів алмаз/метал і покращує їхній інженерний потенціал.

Рис. 7 Продукти адитивного виробництва

(a) Алмазна мідна друкована продукція серії, (b) алмазна/алюмінієва друкована серія продукції, (c) серія друкуючих виробів із керамічного матеріалу