碳化硼(B4C)因其極高的硬度、低密度和良好的耐磨性,被廣泛用于裝甲材料中。然而,傳統(tǒng)的碳化硼陶瓷材料在實際應用中存在一定的脆性問題,這限制了其在一些需要高韌性的領(lǐng)域的應用。
山東理工大學的研究團隊在《Chemical Engineering Journal》(Volume 493, 1 August 2024, 152607)發(fā)表的題為"3D printed B4C-based honeycomb ceramic composite and its potential application in three-dimensional armor structure"的研究中,通過3D打印技術(shù)(DIW)制造具有蜂窩結(jié)構(gòu)的B4C基復合材料,以提高材料的抗沖擊性能和韌性。DIW墨水直寫3D打印技術(shù)允許通過控制打印墨水的流動和沉積,精確地構(gòu)建復雜的幾何結(jié)構(gòu)。研究團隊開發(fā)了一種含有B4C微粉的打印墨水,成功打印出蜂窩結(jié)構(gòu)復合材料,并經(jīng)過干燥、脫脂和燒結(jié)等工藝處理形成最終材料。
圖1,(a) B4C 油墨制備 B4C 基蜂窩陶瓷工藝示意圖;(b) A1、A2 和 A3 油墨的粘度隨剪切速率的變化;(c)、(d)、(e) 不同 B4C 濃度的 B4C 油墨的模量和印刷單塊:66 wt% (A1)、68 wt% (A2)、70 wt% (A3)。
圖2,不同BAC/PSZ比(a)和不同1μm/0.3μm(D50)碳化硼粉末比(b)的油墨的力學性能。
圖3,DIW生產(chǎn)的碳化硼胚體采用不同的擠壓孔(A2、D1和D2)和不同的打印速度(A2、E1和E2)。
圖4,(a) 碳化硼基蜂窩陶瓷復合材料的制備工藝;(b) 打印后的蜂窩結(jié)構(gòu);(c) 燒結(jié)后的蜂窩陶瓷;(d) 蜂窩結(jié)構(gòu)的SEM圖像。
圖5,不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的蜂窩陶瓷:(a) 六邊形蜂窩;(b) 正方形蜂窩;(c) 三角形蜂窩;(d) 不同結(jié)構(gòu)的能量吸收效率比較。
圖6,(a) 抗壓強度測試;(b) 抗彎強度測試;(c) 不同結(jié)構(gòu)的抗壓強度比較;(d) 不同結(jié)構(gòu)的抗彎強度比較。
圖7,(a) 防彈測試示意圖;(b) 不同結(jié)構(gòu)的防彈性能比較;(c) 沖擊后的樣品照片;(d) 能量吸收機制示意圖。
圖8,(a) 三維裝甲結(jié)構(gòu)示意圖;(b) 不同層的功能說明;(c) 整體裝甲結(jié)構(gòu)的防彈性能模擬;(d) 與傳統(tǒng)裝甲的性能對比。
這項研究成功結(jié)合了DIW墨水直寫3D打印技術(shù)和高性能陶瓷材料,展示了先進制造技術(shù)在新型防護材料開發(fā)中的巨大潛力。通過優(yōu)化材料配方和結(jié)構(gòu)設(shè)計,在提高材料強度和韌性的同時保留了碳化硼的輕質(zhì)特點。蜂窩結(jié)構(gòu)B4C基復合材料為未來防護裝甲設(shè)計提供了新思路,在軍事和工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛應用前景。
全面解析森工DIW墨水直寫3D打印機在該類研究中功能匹配情況及需定制功能,幫助用戶更好地選擇合適的3D打印設(shè)備及功能模塊。
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