Bột alumina tạo nên bước đột phá trong vật liệu in 3D.
Bước vào phòng thí nghiệm của Đại học Bách khoa Tây Bắc, bạn sẽ thấy một thiết bị quang trùng hợp...Máy in 3D Máy phát ra tiếng vo ve nhẹ, 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 hoàn thiện – nó sẽ được sử dụng để đúc cánh tuabin của động cơ máy bay. Giáo sư Su Haijun, người phụ trách dự án, chỉ vào bộ phận tinh xảo đó và nói: “Ba năm trước, chúng tôi thậm chí không dám nghĩ đến độ chính xác như vậy. Bước đột phá quan trọng nằm ở loại bột alumina không mấy nổi bật này.”
Ngày xửa ngày xưa, gốm alumina giống như một "học sinh cá biệt" trong lĩnh vực này.In 3D– Có độ bền cao, chịu nhiệt tốt, cách điện tốt, nhưng một khi đã in xong, nó lại gặp rất nhiều vấn đề. Theo các quy trình truyền thống, bột alumina có độ lưu động kém và thường làm tắc nghẽn đầu in; tỷ lệ co ngót trong quá trình thiêu kết có thể lên tới 15%-20%, và các bộ phận được in với nhiều công sức sẽ bị biến dạng và nứt ngay khi bị nung; các cấu trúc phức tạp? Càng khó hơn nữa. Các kỹ sư đau đầu: “Cái này giống như một nghệ sĩ cứng đầu, với những ý tưởng táo bạo nhưng lại không đủ tay nghề.”
1. Công thức của Nga: Bọc "áo giáp gốm" lên...nhômma 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 (NUST MISIS) của Nga đã công bố một công nghệ đột phá. Thay vì chỉ đơn giản là trộn bột oxit nhôm, họ cho bột nhôm tinh khiết cao vào nồi hấp và sử dụng quá trình oxy hóa thủy nhiệt để “tạo” một lớp màng oxit nhôm với độ dày có thể kiểm soát chính xác trên bề mặt của mỗi hạt nhôm, giống như việc phủ một lớp giáp nano lên quả cầu nhôm. Loại bột có “cấu trúc lõi-vỏ” này thể hiện hiệu suất đáng kinh ngạc trong quá trình in 3D bằng 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 hàng không.
Giáo sư Alexander Gromov, trưởng dự án, đã đưa ra một phép so sánh sinh động: “Trước đây, vật liệu composite giống như món salad – mỗi thành phần đều đảm nhiệm vai trò riêng; còn bột của chúng tôi giống như bánh mì kẹp – nhôm và alumina bám chặt vào nhau từng lớp, và không thành phần nào có thể thiếu nhau.” Sự liên kết mạnh mẽ này cho phép vật liệu thể hiện ưu điểm của mình trong các bộ phận động cơ máy bay và khung xe siêu nhẹ, thậm chí bắt đầu cạnh tranh với hợp kim titan.
2. Trí tuệ Trung Quốc: Bí quyết "tạo hình" gốm sứ
Khó khăn lớn nhất trong in ấn gốm alumina là sự co ngót khi nung – hãy tưởng tượng bạn đã cẩn thận nhào nặn một hình đất sét, và nó co lại bằng kích thước của một củ khoai tây ngay khi cho vào lò nướng. Nó sẽ bị biến dạng đến mức nào? Đầu năm 2024, kết quả được nhóm nghiên cứu của Giáo sư Su Haijun tại Đại học Bách khoa Tây Bắc công bố trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ Vật liệu đã gây chấn động ngành công nghiệp: họ đã tạo ra lõi gốm alumina có độ co ngót gần như bằng không, với tỷ lệ co ngót chỉ 0,3%.
Bí quyết là thêm vàobột nhômchuyển sang alumina rồi thực hiện một "phép thuật bầu khí quyển" chính xác.
Thêm bột nhôm: Trộn 15% bột nhôm mịn vào hỗn hợp gốm.
Kiểm soát môi trường: Sử dụng khí argon để bảo vệ ở giai đoạn đầu của quá trình thiêu kết nhằm ngăn ngừa bột nhôm bị oxy hóa.
Chuyển đổi thông minh: Khi nhiệt độ tăng lên đến 1400°C, hệ thống sẽ tự động chuyển đổi môi trường sang không khí.
Quá trình oxy hóa tại chỗ: Bột nhôm tan chảy ngay lập tức thành các giọt và bị oxy hóa thành oxit nhôm, và sự giãn nở thể tích bù đắp cho sự co lại.
3. Cuộc cách mạng chất kết dính: bột nhôm biến thành “keo vô hình”
Trong khi các nhóm nghiên cứu của Nga và Trung Quốc đang nỗ lực nghiên cứu việc cải tiến bột, một hướng đi kỹ thuật khác đã âm thầm phát triển – sử dụng bột nhôm làm chất kết dính. Gốm truyền thốngIn 3DChất kết dính chủ yếu là nhựa hữu cơ, sẽ tạo ra các lỗ rỗng khi bị đốt cháy trong quá trình tẩy dầu mỡ. Bằng sáng chế năm 2023 của một nhóm nghiên cứu trong nước áp dụng một phương pháp khác: biến bột nhôm thành chất kết dính gốc nước47.
Trong quá trình in, vòi phun phun chính xác "keo" chứa 50-70% bột nhôm lên lớp bột oxit nhôm. Đến giai đoạn khử dầu mỡ, chân không được hút vào và oxy được dẫn qua, bột nhôm được oxy hóa thành oxit nhôm 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%. Một kỹ sư đã mô tả như sau: "Nó tương đương với việc tháo dỡ giàn giáo và xây dựng một bức tường mới cùng một lúc, tự mình lấp đầy các lỗ hổng!"
4. Nghệ thuật của các hạt: sự chiến thắng của bột hình cầu
“Hình dạng” của bột alumina bất ngờ trở thành chìa khóa cho những đột phá – hình dạng này đề cập 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 hình dạng bất thường trong quá trình in bằng phương pháp lắng đọng nóng chảy (CF³)5:
Bột dạng hạt: chảy mịn như cát, tỷ lệ lấp đầy trên 60%, cho bản in mịn và mượt mà.
Bột không đều: vón cục như đường thô, độ nhớt cao gấp 40 lần, và vòi phun bị tắc nghẽn đến mức khó có thể sử dụng được.
Thậm chí tốt hơn, mật độ của các bộ phận được in bằng bột hình cầu dễ dàng vượt quá 89% sau khi nung kết, và độ hoàn thiện bề mặt đáp ứng trực tiếp tiêu chuẩn. “Ai còn dùng bột “xấu xí” nữa? Tính lưu động chính là hiệu quả chiến đấu!” Một kỹ thuật viên mỉm cười kết luận.
Tương lai: Các vì sao và biển cả cùng tồn tại với những điều nhỏ bé và xinh đẹp.
Cuộc cách mạng in 3D sử dụng bột alumina vẫn chưa kết thúc. Ngành công nghiệp quân sự đã đi đầu trong việc ứng dụng lõi có độ co ngót gần bằng không để sản xuất cánh quạt phản lực; lĩnh vực y sinh đã quan tâm đến khả năng tương thích sinh học của nó và bắt đầu in các thiết bị cấy ghép xương tùy chỉnh; ngành công nghiệp điện tử đã nhắm đến các chất nền tản nhiệt – xét cho cùng, khả năng dẫn nhiệt và không dẫn điện của alumina là không thể thay thế.