近日，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系助理教授白家鳴課題組2016級(jí)本科生鄭天棋在陶瓷領(lǐng)域知名期刊 Ceramics International 發(fā)表關(guān)于高性能氧化鋁陶瓷復(fù)合材料3D打印的最新研究成果，論文題目為“Development and evaluation of Al₂O₃–ZrO₂ composite processed by digital light 3D printing”。

新型陶瓷基材料具有高硬度、高強(qiáng)度、優(yōu)異的耐熱性、絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程、生物、電子等領(lǐng)域。但由于其硬而脆的特性，陶瓷材料的成型加工一直是一大挑戰(zhàn)。該研究巧妙利用數(shù)字光投影（Digital Light Processing, DLP）3D打印技術(shù)成型迅速、結(jié)構(gòu)特征高保真的特點(diǎn)，成功制造了氧化鋯增韌氧化鋁（Zirconia Toughened Alumina，ZTA）陶瓷復(fù)合材料制件。

圖1：數(shù)字光投影（DLP）3D打印技術(shù)

陶瓷漿料的配制、燒結(jié)溫度及燒結(jié)工藝的選取是影響陶瓷材料性能的關(guān)鍵性因素。研究者針對(duì)DLP工藝，開(kāi)發(fā)了具有低粘度，高固含量和均勻穩(wěn)定分散的氧化鋁（Al₂O₃）和氧化鋯增韌氧化鋁（ZTA）陶瓷漿料，并對(duì)其流變性和3D打印過(guò)程進(jìn)行了研究和優(yōu)化。通過(guò)熱重分析實(shí)驗(yàn)，以及燒結(jié)溫度和表面形貌分析，研究人員優(yōu)化了脫脂和燒結(jié)工藝，最后成功打印成型復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)ZTA陶瓷制件。

圖2：氧化鋁（Al₂O₃）和氧化鋯增韌氧化鋁（ZTA）復(fù)合材料的表面形貌（層間結(jié)合）

圖3：3D打印高硬度高韌性ZTA陶瓷制件

據(jù)介紹，與Al₂O₃相比，3D打印的ZTA制件在1600°C的燒結(jié)溫度下具有較高的相對(duì)密度（99.4％）、良好的層間結(jié)合性能、顯著提高的彎曲強(qiáng)度（516.7 MPa）和壓痕斷裂韌性（7.76 MPa m^{1 / 2}）。

該研究成果為高性能新型陶瓷的成型加工提供了新的選擇，拓寬了陶瓷制件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的自由度，具有廣泛的應(yīng)用前景。   

鄭天棋于2016年9月進(jìn)入南科大學(xué)習(xí)，2017年6月加入機(jī)械系暑期實(shí)習(xí)項(xiàng)目——清華大學(xué)3D打印項(xiàng)目。實(shí)習(xí)結(jié)束后，為深化參加實(shí)習(xí)項(xiàng)目時(shí)的研究，他以項(xiàng)目負(fù)責(zé)人的身份申請(qǐng)到了廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專(zhuān)項(xiàng)資金，在原有概念的基礎(chǔ)上與隊(duì)友一起重新設(shè)計(jì)了一款橫向3D打印機(jī)用于外太空桁架打印，并完成了仿真與地面驗(yàn)證。憑著這項(xiàng)設(shè)計(jì)，他申請(qǐng)了6項(xiàng)專(zhuān)利，并入選了2018 北美先進(jìn)制造會(huì)議（ Manufacturing Science and Engineering Conference，MSEC）大學(xué)生設(shè)計(jì)制造競(jìng)賽決賽圈（全球前8），并代表團(tuán)隊(duì)前往美國(guó)德克薩斯農(nóng)工大學(xué)展示團(tuán)隊(duì)的研究成果。

圖4: 2018北美 MSEC大學(xué)生設(shè)計(jì)制造競(jìng)賽決賽圈項(xiàng)目展示

鄭天棋于2018年9月進(jìn)入機(jī)械系白家鳴課題組開(kāi)始DLP 3D打印陶瓷復(fù)合材料的研究。2019年4月，他以項(xiàng)目負(fù)責(zé)人的身份申請(qǐng)到了省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目。同年5月，憑借優(yōu)異的專(zhuān)業(yè)成績(jī)和優(yōu)秀的英語(yǔ)能力，鄭天棋作為機(jī)械系和樹(shù)德書(shū)院唯一入選學(xué)生，獲南科大全額資助前往美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）進(jìn)行為期一年的交流學(xué)習(xí)。在南科大學(xué)習(xí)及MIT交流期間的優(yōu)異表現(xiàn)，讓他收獲了UCLA, USC，WPI, BU, UC Davis, UW等多所大學(xué)的 PhD offer。目前他已接受美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA)的博士全額獎(jiǎng)學(xué)金offer，繼續(xù)3D打印方向的研究。

圖5：鄭天棋在MIT參加學(xué)術(shù)交流

談及研究過(guò)程中的體驗(yàn)和感受，鄭天棋說(shuō)：“白老師課題組科研創(chuàng)新氛圍濃厚。在課題組一年的學(xué)習(xí)實(shí)踐中，我通過(guò)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證相關(guān)科學(xué)問(wèn)題，逐步對(duì)‘科研’有了更具象的認(rèn)識(shí)，知道了如何做科研。非常感謝白老師和課題組師兄師姐對(duì)我的指導(dǎo)，也十分感謝南科大為本科生們提供寶貴科研平臺(tái)及資源?！闭劦轿磥?lái)的發(fā)展，他說(shuō)：“我對(duì)學(xué)習(xí)新知識(shí)感到興奮和喜悅，未來(lái)想?yún)⑴c不同領(lǐng)域的研究，以?xún)?chǔ)備全面的知識(shí)背景為跨學(xué)科研究做準(zhǔn)備?！?/p>

Ceramics International 是陶瓷類(lèi)國(guó)際知名期刊（JCR一區(qū)期刊，在陶瓷類(lèi)期刊中排名第二）。鄭天棋為論文第一作者，南方科技大學(xué)為論文通訊單位，白家鳴為論文通訊作者。

論文鏈接：https://www./science/article/pii/S0272884219335916

供稿單位：機(jī)械與能源工程系

通訊員：鄧蘇

編輯：吳一敏

主圖設(shè)計(jì)：丘妍