直写成型增材制造的烧结过程：介观建模方法

【引言】

直写成型技术(DIW)是一种比较前沿的增材制造技术，可以进行任意复杂3D形状的快速成型，主要工作方式是利用计算机控制的平台移动沉积喷嘴生成具有各种尺寸以及形状的图案。根据材料沉积方式直写成型技术可以分为基于液滴成型以及丝状成型两类。近些年来，DIW已经可以用来制造碳化硼，氧化铝，莫来石等陶瓷材料。其中，在以基于丝状成型的DIW中，烧结过程是整个过程的关键，很大程度的影响了内部孔隙率，整体收缩率以及晶格结构等。目前已经有原子模拟，Monte Carlo模型，宏观方法等用于研究烧结过程。

【成果简介】

近日，美国Sandia国家实验室Fadi Abdeljawad(第一兼通讯作者)在Acta Mater.上发表“Sintering Processes in Direct Ink Write Additive Manufacturing: A Mesoscopic Modeling Approach”的文章。研究人员利用一种介观模型框架用于验证DIW烧结过程的各个阶段以及相应的微观结构变化，例如表面糙化，晶粒长大以及缩孔现象，并验证了颗粒尺寸分布，界面性能对烧结动力学的影响。通过该方法可进行对过程参数（例如颗粒尺寸，粒度）的相空间的探索，从而获得最优微观结构。

【图文导读】

图1 ：原理示意图
(a) 用于分解烧结微观组织的有序参数

(b) 双粒子几何模型，晶界能与表面自由能平衡。

图2 ：三粒子几何结构
(a) 三粒子几何结构示意图

(b) 内孔半径R（t）和孔隙收缩随时间的变化

图3：模型验证后特征结构

(a) 单分散结构堆积

(b) 双分散结构堆积

图4 ：粒度分布
(a) 单分散以及双分散堆积的粒度分布

(b) DIW所用Al2O3粉末实验测得的粒度分布

图5 ：烧结过程中微观结构随时间的变化
(a-c) 单分散体系 a, t=0; b, t=1x10^3_T;c, t=7.2x10^3_T

(d-f) 双分散体系 d, t=0; e, t=1x10^3_T; f, t=7.2x10^3_T

图6 ：S₂(r)与L_p(r)函数随时间的变化

S₂(r)：两点相关性函数，定义位置1与2两点在感兴趣的孔或固相之间的概率

L_p(r)：线性路径函数，定义长度为r的线随机放置在感兴趣的相或孔之间的概率

(a-b)：单分散体系

(c-d)：双分散体系

图7 ：孔偏心参数随时间的变化
插图描述的是内部孔隙与连通性的结构

【小结】

研究人员通过采用能够解释体积和界面热力学并结合各种质量传递机制的介观建模框架来研究基于细丝成型的DIW中的固态烧结。借助于孔相的两点相关和线性路径函数，研究和量化了粒度分布(PSD)对微观结构演变的作用，发现双分散PSD增强了孔隙收缩动力学。 然而，双分散性产生具有高度偏心的孔的微结构，可能对印刷材料的机械性能有害。

文献链接：Sintering Processes in Direct Ink Write Additive Manufacturing: A Mesoscopic Modeling Approach(Acta Mater., 2018, DOI: 10.1016/j.actamat.2019.01.011)

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