近日，工信部、國資委聯(lián)合發(fā)布了第一批前沿材料產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)發(fā)展指導(dǎo)目錄，加快前沿材料產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)新發(fā)展，引導(dǎo)形成發(fā)展合力。其中包括了“先進(jìn)3D打印材料”，其性能特點(diǎn)為：采用3D打印技術(shù)制備的先進(jìn)金屬、結(jié)構(gòu)與功能陶瓷、纖維復(fù)合等材料，具有優(yōu)異的強(qiáng)度、塑韌性、疲勞性能、耐高溫、耐腐蝕等性能。

　　實際上，世界科技強(qiáng)國都將增材制造技術(shù)作為未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展新的增長點(diǎn)加以培育和支持，我國也將增材制造列入了“中國制造2025”強(qiáng)國戰(zhàn)略，在“十三五”期間進(jìn)行了重點(diǎn)支持和發(fā)展。

陶瓷3D打印應(yīng)用市場：

航空航天和國防占大頭

　　隨著“中國制造2025”的快速進(jìn)展，陶瓷制造產(chǎn)業(yè)也經(jīng)歷了深刻的變革，正在向著“智能化，數(shù)字化”的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)變。新興的3D打印在高性能陶瓷的成型制造領(lǐng)域具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ?D打印有望突破傳統(tǒng)陶瓷加工和生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸，為陶瓷關(guān)鍵零部件的應(yīng)用開辟新的途徑。

　　與聚合物和金屬3D打印相比，陶瓷3D打印市場仍被認(rèn)為是一個相對較新的細(xì)分市場。根據(jù)貝哲斯的報告顯示，全球陶瓷3D打印材料市場

　　在2022年容量達(dá)到4.1億元，預(yù)計到2028年將達(dá)到32.52億元，期間將以41.19%的年均復(fù)合增長率增長。在陶瓷3D打印市場應(yīng)用中，當(dāng)前最大的客戶群體來源都來自航空航天和國防高新技術(shù)行業(yè)，兩者均對陶瓷制品(例如航天器的隔熱瓦)有著大量的需求;其次就是生物健康醫(yī)療領(lǐng)域，這個領(lǐng)域陶瓷多被應(yīng)用于制造像假牙、手術(shù)器械、人體假肢、植入體等醫(yī)療產(chǎn)品，因為通過3D打印技術(shù)可以準(zhǔn)確地為患者定制符合自身人體構(gòu)造的醫(yī)療用品，生物兼容性非常好。

透波陶瓷天線罩3D打印需求分析

　　高性能透波陶瓷是一類重要的陶瓷材料，其典型應(yīng)用包括天線罩等導(dǎo)彈關(guān)鍵部件。作為決定制導(dǎo)系統(tǒng)探測性能和氣動性能的核心構(gòu)件，具備優(yōu)異氣動特性和高溫承載、超寬帶透波等性能的陶瓷天線罩的研制已成為新一代導(dǎo)彈研制中迫切需要解決的關(guān)鍵問題。因此，發(fā)展大尺寸高性能透波陶瓷構(gòu)件的快速、精確成型技術(shù)，具有重要的軍事意義與社會意義。

　　1.陶瓷天線罩無模具快速試制需求

　　目前陶瓷天線罩材料的研究和應(yīng)用主要以石英陶瓷和氮化硅陶瓷為主。石英陶瓷天線罩一般采用泥漿澆注、注凝成型等成型方法;氮化硅陶瓷天線罩采用熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)、無壓燒結(jié)等制備方法。以上方法在成型過程中均需要模具。

▲美國Ceradyne公司生產(chǎn)的熔融石英陶瓷天線罩

　　成型的陶瓷構(gòu)件素坯還需要經(jīng)過復(fù)雜的磨削加工才能形成最終產(chǎn)品，整體的制造周期長。因此，在研制階段，需要實現(xiàn)天線罩快速試制以縮短研制周期，迫切需要發(fā)展不需要模具的天線罩快速制造方法。

　　2.復(fù)雜結(jié)構(gòu)外形陶瓷天線罩研制需求

　　飛行馬赫數(shù)為5~16的高超聲速導(dǎo)彈具有飛行速度快、突防能力強(qiáng)、攻擊目標(biāo)范圍廣、殺傷威力大等特點(diǎn)，成為航空航天領(lǐng)域發(fā)展的一個主要方向。傳統(tǒng)的天線罩采用軸對稱的流線型外形，是無法滿足5以上的飛行馬赫數(shù)的。因此，具有較高升阻比和更強(qiáng)動機(jī)性的乘波體等復(fù)雜結(jié)構(gòu)外形成為高超聲速導(dǎo)彈構(gòu)型的重要發(fā)展方向。

▲美國 X-51A 實驗型高超聲速飛行器

　　然而，飛行器復(fù)雜的結(jié)構(gòu)外形使得天線罩的制造難度和成本大幅增加，迫切需要發(fā)展可以實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)外形天線罩快速制造的工藝方法。

　　3.寬帶夾層結(jié)構(gòu)陶瓷天線罩研制需求

　　為提升制導(dǎo)精度和抗干擾能力，天線罩必須在更寬的工作頻段范圍內(nèi)工作，(從窄帶透波拓展到2GHz以上的寬帶透波)。但傳統(tǒng)天線罩一般采用單層半波壁結(jié)構(gòu)，工作帶寬有限。因此采用夾層結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)天線罩寬帶透波的重要途徑。寬帶夾層結(jié)構(gòu)陶瓷天線罩的復(fù)雜結(jié)構(gòu)給其制備帶來了很大的難度，國內(nèi)外在夾層結(jié)構(gòu)陶瓷天線罩的制備上開展了大量的研究。如美國波音公司研制了兩層結(jié)構(gòu)的多倍頻程寬帶天線罩，該天線罩由低密度的氮化硅芯層和高密度的氮化硅表面組成。

▲天線罩典型夾層結(jié)構(gòu)示意圖

　　目前寬帶夾層結(jié)構(gòu)陶瓷天線罩制備技術(shù)成熟度不高，且工藝復(fù)雜、成本較高，迫切需要進(jìn)一步探索新的制備方法。

　　4.陶瓷天線罩3D打印技術(shù)的發(fā)展需求

　　為滿足陶瓷天線罩快速試制以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)外形、寬帶夾層結(jié)構(gòu)天線罩精密研制的需求，陶瓷3D打印技術(shù)成為重要的發(fā)展方向。相對于傳統(tǒng)制造技術(shù)，3D打印不需要模具，成型速度快，特別適用于復(fù)雜異形構(gòu)件成型，且構(gòu)件越復(fù)雜，優(yōu)勢越顯著。因此發(fā)展陶瓷3D 打印技術(shù)，對于天線罩的快速試制及技術(shù)發(fā)展具有重要的意義。

透波陶瓷3D構(gòu)件打印工藝

　　1.3D打印工藝

　　與金屬材料不同，常用的透波陶瓷材料難以應(yīng)用選擇性激光熔化(SLM)等直接打印工藝進(jìn)行成型。石英陶瓷在加熱至1600℃熔化后性能會發(fā)生變化，而氮化硅陶瓷雖在常壓下沒有固定熔點(diǎn)，但加熱至1870℃后也會發(fā)生分解，因此透波陶瓷一般采用間接3D打印工藝。

▲陶瓷3D打印工藝的指標(biāo)對比

　　不同的陶瓷3D打印工藝具有不同的特點(diǎn)。針對導(dǎo)彈天線罩等應(yīng)用場合，由于導(dǎo)彈天線罩對力學(xué)強(qiáng)度、表面質(zhì)量、電性能均有嚴(yán)格的要求：

　　3DP工藝打印的陶瓷構(gòu)件強(qiáng)度過低而難以滿足要求;

　　SLS工藝和 FDM 工藝可用于單層結(jié)構(gòu)的陶瓷天線罩打印，并通過后續(xù)的精密加工保證表面質(zhì)量，但打印的構(gòu)件精度較低，因此難以用于寬帶夾層結(jié)構(gòu)天線罩的打印;

　　SLA工藝和 DLP工藝打印的陶瓷構(gòu)件表面質(zhì)量和精度較高，可用于各類陶瓷天線罩的制備，但3D打印效率較低、成本較高。

▲特種陶瓷渦輪葉片、天線罩等(來源：升華三維，采用PEP粉末擠出陶瓷3D打印技術(shù)，該技術(shù)是在FDM熔融沉積成型技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合粉末冶金工藝形成的一種3D打印方法。)

　　2. 3D打印材料

　　國內(nèi)在3D打印材料方面已開展了大量的研究，但主要集中在氧化鋁 (Al2O3)、氧化鋯(ZrO2)、硅酸鈣(CaSiO3)、碳化硅(SiC)等非透波陶瓷材料。對于高溫透波陶瓷材料的研究主要集中在氧化物陶瓷、磷酸鹽陶瓷和氮化物陶瓷三個方面，但對于3D打印透波陶瓷材料的研究較少。

▲不同種類透波陶瓷的特點(diǎn)及適用領(lǐng)域

　　針對透波陶瓷的3D打印要求，需要開展3D打印材料研究，形成性能穩(wěn)定的材料體系和批量化制備能力。

　　高性能透波陶瓷在航空航天領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的復(fù)雜外形透波陶瓷構(gòu)件面臨著試制周期長、成型困難等難題。發(fā)展先進(jìn)的陶瓷3D打印技術(shù)，對于導(dǎo)彈天線罩等高性能陶瓷構(gòu)件的設(shè)計、研制和生產(chǎn)具有積極的推動作用。目前高性能透波陶瓷構(gòu)件的3D 打印還處于起步階段，迫切需要開展深入研究，攻克設(shè)備、材料、工藝等一系列關(guān)鍵技術(shù)。

來源：航空制造網(wǎng)
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本文編輯：李彥清

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