Đột phá về bột nhôm trong vật liệu in 3D
Bước vào phòng thí nghiệm của Đại học Bách khoa Tây Bắc, một phương pháp xử lý bằng ánh sángMáy in 3D Tiếng vo vo khe khẽ, và chùm tia laser di chuyển chính xác trong hỗn hợp gốm. Chỉ vài giờ sau, một lõi gốm với cấu trúc phức tạp như mê cung đã hiện ra hoàn chỉnh – nó sẽ được sử dụng để đúc cánh tuabin của động cơ máy bay. Giáo sư Tô Hải Quân, người phụ trách dự án, chỉ vào bộ phận mỏng manh này và nói: "Ba năm trước, chúng tôi thậm chí còn không dám nghĩ đến độ chính xác như vậy. Bước đột phá then chốt nằm ẩn giấu trong loại bột nhôm oxit kín đáo này."
Ngày xửa ngày xưa, gốm sứ alumina giống như một “học sinh có vấn đề” trong lĩnh vựcIn 3D– Độ bền cao, chịu nhiệt độ cao, cách nhiệt tốt, nhưng sau khi in ra lại gặp rất nhiều vấn đề. Theo quy trình truyền thống, bột nhôm oxit có độ lưu động kém, thường làm tắc đầu in; tỷ lệ co ngót trong quá trình thiêu kết có thể lên tới 15%-20%, và các chi tiết được in với công sức lớn sẽ bị biến dạng và nứt ngay khi bị đốt cháy; cấu trúc phức tạp? Thật là xa xỉ. Các kỹ sư băn khoăn: "Cái thứ này giống như một nghệ sĩ cứng đầu, ý tưởng táo bạo nhưng tay nghề lại không đủ."
1. Công thức của Nga: Đặt “áo giáp gốm” lênnhômma trận
Bước ngoặt đầu tiên đến từ cuộc cách mạng trong thiết kế vật liệu. Năm 2020, các nhà khoa học vật liệu từ Đại học Khoa học và Công nghệ Quốc gia Nga (NUST MISIS) đã công bố một công nghệ đột phá. Thay vì chỉ trộn bột nhôm oxit, họ cho bột nhôm có độ tinh khiết cao vào lò hấp và sử dụng quá trình oxy hóa thủy nhiệt để "trồng" một lớp màng nhôm oxit với độ dày có thể kiểm soát chính xác trên bề mặt của mỗi hạt nhôm, giống như phủ một lớp giáp nano lên quả bóng nhôm. Bột "cấu trúc lõi-vỏ" này cho thấy hiệu suất đáng kinh ngạc trong quá trình in 3D laser (công nghệ SLM): độ cứng cao hơn 40% so với vật liệu nhôm nguyên chất và độ ổn định ở nhiệt độ cao được cải thiện đáng kể, đáp ứng trực tiếp các yêu cầu cấp độ hàng không.
Giáo sư Alexander Gromov, trưởng nhóm dự án, đã đưa ra một phép so sánh sinh động: “Trước đây, vật liệu composite giống như món salad – mỗi loại phụ trách một mảng riêng; bột của chúng tôi giống như bánh sandwich – nhôm và alumina ăn lẫn nhau từng lớp, không loại nào có thể thiếu loại nào.” Sự kết hợp mạnh mẽ này cho phép vật liệu thể hiện sức mạnh của mình trong các bộ phận động cơ máy bay và khung thân siêu nhẹ, thậm chí bắt đầu thách thức lãnh thổ của hợp kim titan.
2. Trí tuệ Trung Hoa: Sự kỳ diệu của nghệ thuật “đóng” gốm
Điểm khó khăn lớn nhất của in gốm alumina là hiện tượng co ngót thiêu kết – hãy tưởng tượng bạn nhào nặn cẩn thận một khối đất sét, và nó co lại thành kích thước của một củ khoai tây ngay khi vừa vào lò. Nó sẽ co lại đến mức nào? Đầu năm 2024, kết quả nghiên cứu do nhóm của Giáo sư Tô Hải Quân tại Đại học Bách khoa Tây Bắc công bố trên Tạp chí Khoa học & Công nghệ Vật liệu đã gây chấn động ngành công nghiệp: họ đã tạo ra được lõi gốm alumina gần như không co ngót với tỷ lệ co ngót chỉ 0,3%.
Bí quyết là thêmbột nhômthành alumina và sau đó tạo ra một “ma thuật bầu không khí” chính xác.
Thêm bột nhôm: Trộn 15% bột nhôm mịn vào hỗn hợp gốm
Kiểm soát bầu không khí: Sử dụng khí argon bảo vệ khi bắt đầu thiêu kết để ngăn bột nhôm bị oxy hóa
Chuyển đổi thông minh: Khi nhiệt độ tăng lên 1400°C, đột nhiên chuyển đổi bầu khí quyển thành không khí
Quá trình oxy hóa tại chỗ: Bột nhôm tan chảy ngay lập tức thành các giọt và bị oxy hóa thành nhôm oxit, và sự giãn nở thể tích bù trừ cho sự co lại
3. Cuộc cách mạng chất kết dính: bột nhôm biến thành “keo vô hình”
Trong khi các nhóm nghiên cứu Nga và Trung Quốc đang nỗ lực cải tiến bột, một phương pháp kỹ thuật khác cũng đang dần hoàn thiện – sử dụng bột nhôm làm chất kết dính. Gốm sứ truyền thốngIn 3DChất kết dính chủ yếu là nhựa hữu cơ, sẽ để lại lỗ rỗng khi bị đốt cháy trong quá trình tẩy dầu mỡ. Bằng sáng chế năm 2023 của một nhóm nghiên cứu trong nước lại có cách tiếp cận khác: biến bột nhôm thành chất kết dính gốc nước47.
Trong quá trình in, đầu phun phun chính xác "keo" chứa 50-70% bột nhôm lên lớp bột nhôm oxit. Đến giai đoạn tẩy dầu mỡ, chân không được hút vào và oxy được đưa qua, bột nhôm được oxy hóa thành nhôm oxit ở nhiệt độ 200-800°C. Đặc tính giãn nở thể tích hơn 20% cho phép nó chủ động lấp đầy các lỗ rỗng và giảm tỷ lệ co ngót xuống dưới 5%. "Nó tương đương với việc tháo dỡ giàn giáo và xây một bức tường mới cùng một lúc, tự lấp đầy các lỗ hổng của mình!", một kỹ sư mô tả như vậy.
4. Nghệ thuật của các hạt: chiến thắng của bột hình cầu
“Hình dạng” của bột alumina bất ngờ trở thành chìa khóa cho những đột phá – hình dạng này liên quan đến hình dạng hạt. Một nghiên cứu trên tạp chí “Open Ceramics” năm 2024 đã so sánh hiệu suất của bột alumina hình cầu và không đều trong in lắng đọng nóng chảy (CF³)5:
Bột hình cầu: chảy như cát mịn, tỷ lệ lấp đầy vượt quá 60% và bản in mịn và mượt
Bột không đều: dính như đường thô, độ nhớt cao gấp 40 lần, vòi phun bị tắc nghi ngờ tuổi thọ
Hơn nữa, mật độ của các chi tiết được in bằng bột hình cầu dễ dàng vượt quá 89% sau khi thiêu kết, và độ hoàn thiện bề mặt đạt tiêu chuẩn. "Giờ còn ai dùng bột "xấu" nữa chứ? Độ chảy chính là hiệu quả chiến đấu!" Một kỹ thuật viên mỉm cười kết luận5.
Tương lai: Sao và biển cùng tồn tại với những điều nhỏ bé và xinh đẹp
Cuộc cách mạng in 3D bột alumina vẫn chưa kết thúc. Ngành công nghiệp quân sự đã đi đầu trong việc ứng dụng lõi co ngót gần như bằng không để sản xuất cánh quạt tuabin; lĩnh vực y sinh đã chú ý đến tính tương thích sinh học của nó và bắt đầu in cấy ghép xương tùy chỉnh; ngành công nghiệp điện tử đã nhắm đến các chất nền tản nhiệt - xét cho cùng, tính dẫn nhiệt và dẫn điện không dẫn điện của alumina là không thể thay thế.