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南科大机械系本科生郑天棋在陶瓷领域知名期刊发表最新研究成果

     近日,南方科技大学机械与能源工程系助理教授白家鸣课题组2016级本科生郑天棋在陶瓷领域知名期刊 Ceramics International 发表关于高性能氧化铝陶瓷复合材料3D打印的最新研究成果,论文题目为“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、高强度、优异的耐热性、绝缘性和化学稳定性等特点,广泛应用于机械工程、生物、电子等领域。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战。该研究巧妙利用数字光投影(Digital Light Processing, DLP)3D打印技术成型迅速、结构特征高保真的特点,成功制造了氧化锆增韧氧化铝(Zirconia Toughened Alumina,ZTA)陶瓷复合材料制件。

图1:数字光投影(DLP)3D打印技术
      
陶瓷浆料的配制、烧结温度及烧结工艺的选取是影响陶瓷材料性能的关键性因素。研究者针对DLP工艺,开发了具有低粘度,高固含量和均匀稳定分散的氧化铝(Al2O3)和氧化锆增韧氧化铝(ZTA)陶瓷浆料,并对其流变性和3D打印过程进行了研究和优化。通过热重分析实验,以及烧结温度和表面形貌分析,研究人员优化了脱脂和烧结工艺,最后成功打印成型复杂几何结构ZTA陶瓷制件。

图2:氧化铝(Al2O3)和氧化锆增韧氧化铝(ZTA)复合材料的表面形貌(层间结合)

图3:3D打印高硬度高韧性ZTA陶瓷制件

据介绍,与Al2O3相比,3D打印的ZTA制件在1600°C的烧结温度下具有较高的相对密度(99.4%)、良好的层间结合性能、显著提高的弯曲强度(516.7 MPa)和压痕断裂韧性(7.76 MPa m1 / 2)。

该研究成果为高性能新型陶瓷的成型加工提供了新的选择,拓宽了陶瓷制件结构设计的自由度,具有广泛的应用前景。  

郑天棋于2016年9月进入南科大学习,2017年6月加入机械系暑期实习项目——清华大学3D打印项目。实习结束后,为深化参加实习项目时的研究,他以项目负责人的身份申请到了广东大学生科技创新培育专项资金,在原有概念的基础上与队友一起重新设计了一款横向3D打印机用于外太空桁架打印,并完成了仿真与地面验证。凭着这项设计,他申请了6项专利,并入选了2018 北美先进制造会议( Manufacturing Science and Engineering Conference,MSEC)大学生设计制造竞赛决赛圈(全球前8),并代表团队前往美国德克萨斯农工大学展示团队的研究成果。

图4: 2018北美 MSEC大学生设计制造竞赛决赛圈项目展示

郑天棋于2018年9月进入机械系白家鸣课题组开始DLP 3D打印陶瓷复合材料的研究。2019年4月,他以项目负责人的身份申请到了省级大学生创新创业训练计划项目。同年5月,凭借优异的专业成绩和优秀的英语能力,郑天棋作为机械系和树德书院唯一入选学生,获南科大全额资助前往美国麻省理工学院(MIT)进行为期一年的交流学习。在南科大学习及MIT交流期间的优异表现,让他收获了UCLA, USC,WPI, BU, UC Davis, UW等多所大学的 PhD offer。目前他已接受美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)的博士全额奖学金offer,继续3D打印方向的研究。

图5:郑天棋在MIT参加学术交流

谈及研究过程中的体验和感受,郑天棋说:“白老师课题组科研创新氛围浓厚。在课题组一年的学习实践中,我通过开展实验设计及验证相关科学问题,逐步对‘科研’有了更具象的认识,知道了如何做科研。非常感谢白老师和课题组师兄师姐对我的指导,也十分感谢南科大为本科生们提供宝贵科研平台及资源。”谈到未来的发展,他说:“我对学习新知识感到兴奋和喜悦,未来想参与不同领域的研究,以储备全面的知识背景为跨学科研究做准备。”

Ceramics International 是陶瓷类国际知名期刊(JCR一区期刊,在陶瓷类期刊中排名第二)。郑天棋为论文第一作者,南方科技大学为论文通讯单位,白家鸣为论文通讯作者。

 

论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884219335916

南科大官网新闻链接:https://newshub.sustech.edu.cn/zh/html/202004/35930.html