摘要：铝硅土（Mullite）陶瓷因其卓越的高温稳定性、耐腐蚀性以及优异的力学性能，在高温结构材料、催化剂载体等领域展现出广泛的应用前景。而随着3D打印技术的发展，尤其是立体光刻（SLA）技术的应用，制造高性能铝硅土陶瓷变得更加可行。近日，安徽工程大学左如忠和马海强

研究揭示：SLA技术制造蜂窝状铝硅土陶瓷的机械性能与断裂机制

铝硅土（Mullite）陶瓷因其卓越的高温稳定性、耐腐蚀性以及优异的力学性能，在高温结构材料、催化剂载体等领域展现出广泛的应用前景。而随着3D打印技术的发展，尤其是立体光刻（SLA）技术的应用，制造高性能铝硅土陶瓷变得更加可行。近日，安徽工程大学左如忠和马海强教授团队在《Ceramics International》期刊上发布了题为《Mechanical properties and fracture mechanism of 3D-printed honeycomb mullite ceramics fabricated by stereolithography》的研究，深入探讨了通过SLA技术制造的蜂窝状铝硅土陶瓷的机械性能与断裂机制。

研究背景与目标

铝硅土陶瓷由于其优异的耐高温性能和机械强度，广泛应用于高温结构件和催化剂载体等领域。采用SLA技术制造蜂窝状铝硅土陶瓷，不仅能优化材料的轻量化和强度，还可以精确控制孔隙结构，提升其力学性能。此项研究的主要目标是探讨蜂窝结构如何影响铝硅土陶瓷的机械性能及断裂机制，特别是裂纹扩展路径和断裂模式。

研究方法与实验数据

该研究采用SLA技术制造蜂窝状铝硅土陶瓷，并系统评估了不同烧结温度和孔隙几何形状对陶瓷的物理、力学性能的影响。研究团队通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）分析了不同烧结温度下陶瓷的微观组织结构。

烧结温度与物理性质的关系：研究表明，随着烧结温度的升高，铝硅土的含量从78.2 wt%提升至99.7 wt%，而陶瓷的体密度也从1.73 g/cm³上升至2.74 g/cm³，表观孔隙率则从45.62%下降至8.46%。抗压强度从46.89 MPa提高到129.26 MPa，显示出烧结温度对陶瓷强度和致密度的显著影响。

孔隙几何形状对力学性能的影响：蜂窝铝硅土陶瓷的孔隙几何形状对力学性能起到了重要作用。研究发现，方形孔蜂窝结构的抗压强度最高，达到了206.71 MPa，而圆形孔结构的抗压强度最低，为77.19 MPa。这表明，不同的孔隙形状对材料的强度和抗压能力有显著影响。

有限元分析与实验验证：为了进一步验证实验结果，研究团队通过有限元分析（FEA）模拟了蜂窝状铝硅土陶瓷的抗压强度。仿真结果与实验数据相符良好，进一步确认了孔隙几何形状对陶瓷力学性能的影响。

断裂机制的研究

通过SEM分析，研究揭示了蜂窝状铝硅土陶瓷的断裂行为，发现其断裂过程可以分为线弹性区、平台区和致密化区三个阶段。研究表明，陶瓷的断裂机理与逐层无关，裂纹的扩展主要沿着孔隙边界进行，这一发现为陶瓷结构设计提供了重要的参考。不同孔隙结构对裂纹的扩展路径和断裂模式有显著影响。

研究人员还通过实验和模拟相结合的方式，对不同孔隙形状的陶瓷断裂形态进行了详细分析。例如，圆形孔的陶瓷在断裂时表现出明显的脆性断裂，而方形孔的陶瓷则表现出更高的抗压强度，说明孔隙形状对断裂过程有着直接的影响。

△图1，蜂窝状铝硅土陶瓷的成型过程。

△图2，从1400°C到1600°C烧结样品的XRD图谱。

△图3，从1400◦C到1600◦C(a)1400◦C，(b)1450◦C，(c)1500◦C，(d)1550◦C，(e) 1600◦C和(f)(e)部分扩大的样品的显微结构。(f)(e)部分扩大的样品的显微结构。

△图4，在1600◦C(a)SEM图像上烧结的样品的元素分布，(c) Al、(c) O和(e) Si的EDS映射。

△图5，( a)体积密度和表观孔隙度随烧结温度的关系。

△图6，机械性能测试设备，(b)在1400◦C到1600◦C温度下烧结的样品的机械性能。

△图7，在1600◦℃下烧结的样品的力学性能。

△图8，抗压强度与其他研究结果的比较。

△图9，样品（a和a1)圆形孔、（b和b1)三角形孔和（c和c1)方形孔的断裂形态。

△图10，不同模型（a和a1)圆形孔、（b和b1)方形孔和（c和c1)三角形孔的位移变形云图像。

△图11，蜂窝状铝硅土陶瓷的断裂模型。

△图12. 破裂后孔隙壁的形态变化

△图13. 图(a)中b、c、d、e、f、g、h、i、j、k断裂后不同区域的形态分别对应(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)、(i)、(j)和(k)

研究结论

本研究通过SLA 3D打印技术开发了具有不同孔隙几何形状的蜂窝状铝硅土陶瓷，并系统研究了烧结温度、孔隙形状对陶瓷性能的影响。主要结论如下：

烧结温度与物理性能：随着烧结温度的升高，陶瓷的铝硅土含量、体密度均有所提升，孔隙率显著下降，抗压强度也大幅提高。

孔隙形状对力学性能的影响：方形孔的蜂窝状铝硅土陶瓷具有最高的抗压强度，而圆形孔的陶瓷表现出较低的强度。

有限元分析的验证：采用有限元分析模拟的抗压强度结果与实验数据高度一致，为蜂窝结构的设计提供了可靠的理论支持。

断裂机制：蜂窝状陶瓷的断裂过程表现为脆性断裂，裂纹主要沿着孔隙边界扩展，孔隙几何形状对裂纹扩展路径和断裂模式有显著影响。

展望与应用

该研究为SLA技术制造蜂窝状铝硅土陶瓷提供了宝贵的数据支持和理论依据。蜂窝状陶瓷的轻量化设计和优异的力学性能，使其在高温结构材料、催化剂载体等领域具有广阔的应用前景。未来，随着SLA技术的不断进步和材料性能的进一步优化，蜂窝状铝硅土陶瓷将成为高温领域中的重要材料选择，为航空航天、能源、环境保护等领域带来更多创新应用。

此外，蜂窝状铝硅土陶瓷的断裂机制研究为相关领域的陶瓷设计和优化提供了重要的参考，特别是在高温、极限环境下应用的陶瓷结构设计方面，为推动陶瓷材料的工业化和商业化应用提供了科学支持。

来源：奇遇科技ADTE