大尺寸透波陶瓷構(gòu)件3D打印技術(shù)的發(fā)展

曾照勇,李迎欣,李 煒,顧 昊,黃 凱

(上海無線電設(shè)備研究所,上海 201109)

0 引言

陶瓷具有高強(qiáng)度、高硬度、耐磨、耐高溫、耐腐蝕、防潮、絕緣等優(yōu)良的化學(xué)、物理和力學(xué)性能,在航空、航天、船舶、汽車、電子等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-2]。

高性能透波陶瓷是一類重要的陶瓷材料,其典型應(yīng)用包括天線罩等導(dǎo)彈關(guān)鍵部件。天線罩用于保護(hù)導(dǎo)引頭內(nèi)部的探測(cè)系統(tǒng),使其在導(dǎo)彈高速、高機(jī)動(dòng)飛行條件下能夠正常工作。天線罩集承載、耐溫、透波等功能于一體,具有尺寸大、加工精度要求高、性能控制嚴(yán)等特點(diǎn),對(duì)導(dǎo)彈的氣動(dòng)特性和探測(cè)性能有著重要的影響[3-4]。

針對(duì)外形及結(jié)構(gòu)復(fù)雜的透波陶瓷天線罩制造周期長(zhǎng)、制備困難等問題,本文對(duì)導(dǎo)彈陶瓷天線罩3D 打印技術(shù)的應(yīng)用需求、工藝方法和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析,并探討高性能透波陶瓷天線罩3D 打印技術(shù)的發(fā)展方向。

1 透波陶瓷天線罩3D 打印需求分析

新一代導(dǎo)彈正向著超高速飛行、超遠(yuǎn)距精確打擊、多功能一體化等方向發(fā)展,對(duì)制導(dǎo)系統(tǒng)提出了耐高溫高可靠服役、遠(yuǎn)距精確探測(cè)、超寬帶制導(dǎo)等發(fā)展要求[5]。作為決定制導(dǎo)系統(tǒng)探測(cè)性能和氣動(dòng)性能的核心構(gòu)件,具備優(yōu)異氣動(dòng)特性和高溫承載、超寬帶透波等性能的陶瓷天線罩的研制已成為新一代導(dǎo)彈研制中迫切需要解決的關(guān)鍵問題。發(fā)展大尺寸高性能透波陶瓷構(gòu)件的快速、精確成型技術(shù),具有重要的軍事意義與社會(huì)意義。

1.1 陶瓷天線罩無模具快速試制需求

目前陶瓷天線罩材料的研究和應(yīng)用主要以石英陶瓷和氮化硅陶瓷為主。石英陶瓷天線罩一般采用泥漿澆注、注凝成型等成型方法[6-7],氮化硅陶瓷天線罩一般采用熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)、無壓燒結(jié)等成型方法[8]。以上成型方法均需采用模具,基于模具的天線罩成型如圖1所示。此外,成型的陶瓷構(gòu)件素坯還需經(jīng)過復(fù)雜的磨削加工才能形成最終產(chǎn)品,整體制造周期長(zhǎng)。在研制階段,需要實(shí)現(xiàn)天線罩快速試制以縮短研制周期,迫切需要發(fā)展不需要模具的天線罩快速制造方法。

圖1 基于模具的天線罩成型

1.2 復(fù)雜結(jié)構(gòu)外形陶瓷天線罩研制需求

傳統(tǒng)的天線罩一般采用軸對(duì)稱的流線型外形[9],這種天線罩制造工藝簡(jiǎn)單,一般用于導(dǎo)彈飛行馬赫數(shù)不高于5的場(chǎng)合。飛行馬赫數(shù)為5～16的高超聲速導(dǎo)彈具有飛行速度快、突防能力強(qiáng)、攻擊目標(biāo)范圍廣、殺傷威力大等特點(diǎn),成為航空航天領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)主要方向[10]。為滿足導(dǎo)彈高超聲速飛行需求,具有較高升阻比和更強(qiáng)機(jī)動(dòng)性的乘波體等復(fù)雜結(jié)構(gòu)外形成為高超聲速導(dǎo)彈構(gòu)型的重要發(fā)展方向[11]。美國率先將乘波體應(yīng)用于X-51A 實(shí)驗(yàn)型高超聲速飛行器[12],該飛行器外形如圖2所示。飛行器復(fù)雜的結(jié)構(gòu)外形使得天線罩的制造難度和成本大幅增加,迫切需要發(fā)展可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)外形天線罩快速制造的工藝方法。

圖2 美國X-51A 實(shí)驗(yàn)型高超聲速飛行器

1.3 寬帶夾層結(jié)構(gòu)陶瓷天線罩研制需求

為了提升制導(dǎo)精度和抗干擾能力,多模、多波段復(fù)合探測(cè)成為精確制導(dǎo)的重要發(fā)展方向[13-14]。這要求天線罩必須在更寬的工作頻段范圍內(nèi)工作,天線罩從窄帶透波拓展到2 GHz以上的寬帶透波。但傳統(tǒng)天線罩一般采用單層半波壁結(jié)構(gòu),工作帶寬有限。

采用夾層結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)天線罩寬帶透波的重要途徑[15]。天線罩典型夾層結(jié)構(gòu)主要由外蒙皮、多孔芯層、內(nèi)蒙皮等組成,如圖3所示。

圖3 天線罩典型夾層結(jié)構(gòu)示意圖

理論計(jì)算表明,多孔夾層結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)天線罩寬帶透波。郭敏等[16]運(yùn)用傳輸線理論設(shè)計(jì)了一種寬頻帶的導(dǎo)彈天線罩,其在(1～15)GHz頻帶內(nèi)的功率傳輸效率大于88%。王海東等[17]對(duì)用于天文探測(cè)的杜瓦系統(tǒng)天線罩進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),結(jié)果表明,(1～30)GHz頻帶內(nèi),單層結(jié)構(gòu)的天線罩透波率優(yōu)于79%,而C夾層結(jié)構(gòu)的天線罩透波率優(yōu)于90%。

寬帶夾層結(jié)構(gòu)陶瓷天線罩的復(fù)雜結(jié)構(gòu)給其制備帶來了很大的難度,國內(nèi)外在夾層結(jié)構(gòu)陶瓷天線罩的制備上開展了大量的研究。美國波音公司研制了兩層結(jié)構(gòu)的多倍頻程寬帶天線罩,該天線罩由低密度的氮化硅芯層和高密度的氮化硅表面組成[18]。美國雷錫恩公司采用有機(jī)先驅(qū)體聚合物浸漬裂解工藝,制備了三明治結(jié)構(gòu)的氮化硅材料。該三明治結(jié)構(gòu)的中間層為多孔材料,兩側(cè)為石英纖維布疊層,疊層外表面為致密的含二氧化鈦(TiO2)聚硅氮烷涂層[19]。閆法強(qiáng)[20]采用磷酸鹽黏結(jié)技術(shù)制備了磷酸鋯陶瓷體系(Zr P2O7/SiO2/ZrP2O7)的A 夾層結(jié)構(gòu)和Si-B-O-N 陶瓷體系(SiO2/Si3N4-BN-SiO2(n)/SiO2)的B 夾層結(jié)構(gòu)平板,其中A 夾層結(jié)構(gòu)平板材料在(2～5)GHz和(9～12)GHz 頻帶內(nèi)透波率大于90%,B 夾層結(jié)構(gòu)平板材料在(3～6)GHz 和(11～17)GHz頻帶內(nèi)透波率大于90%。

目前寬帶夾層結(jié)構(gòu)陶瓷天線罩制備技術(shù)成熟度不高,且工藝復(fù)雜、成本較高,迫切需要進(jìn)一步探索新的制備方法。

1.4 陶瓷天線罩3D打印技術(shù)的發(fā)展需求

為滿足陶瓷天線罩快速試制以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)外形、寬帶夾層結(jié)構(gòu)天線罩精密研制的需求,陶瓷3D 打印技術(shù)成為重要的發(fā)展方向。相對(duì)于傳統(tǒng)制造技術(shù),3D 打印不需要模具,成型速度快,特別適用于復(fù)雜異形構(gòu)件成型,且構(gòu)件越復(fù)雜,優(yōu)勢(shì)越顯著[21-22]。因此發(fā)展陶瓷3D 打印技術(shù),對(duì)于天線罩的快速試制及技術(shù)發(fā)展具有重要的意義。

2 陶瓷3D 打印工藝分析

近年來,陶瓷3D 打印技術(shù)以其快速成型、無模成型的優(yōu)點(diǎn)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展,在國內(nèi)外受到越來越多的關(guān)注。該技術(shù)在機(jī)械、電子、航空、航天、生物、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,并發(fā)展了多種3D 打印工藝[23-24]。

2.1 陶瓷3D打印工藝路線分析

與金屬材料不同,常用的透波陶瓷材料難以應(yīng)用選擇性激光熔化(selective laser melting,SLM)等直接打印工藝進(jìn)行成型。石英陶瓷在加熱至1 600℃熔化后性能會(huì)發(fā)生變化,而氮化硅陶瓷雖在常壓下沒有固定熔點(diǎn),但加熱至1 870℃后也會(huì)發(fā)生分解,因此透波陶瓷一般采用間接3D 打印工藝。間接3D 打印工藝是在陶瓷粉中添加黏結(jié)劑制備出打印材料,在打印設(shè)備中制備出陶瓷素坯,在脫脂爐中去除黏結(jié)劑,并在燒結(jié)爐中燒結(jié)形成致密化的陶瓷構(gòu)件,最后通過精密磨削加工得到陶瓷成品。其工藝路線如圖4所示。

圖4 陶瓷間接3D 打印工藝路線

2.2 陶瓷3D打印工藝

目前高性能陶瓷3D 打印的主要工藝方法包括三維打印成型(three-dimensional printing,3DP)、激光選區(qū)燒結(jié)(selective laser sintering,SLS)、熔融沉積成型(fused deposition modeling,FDM)、立體光刻成型(stereo lithography apparatus,SLA)、數(shù)字光處理成型(digital light processing,DLP)等[25-27]。這些方法的主要區(qū)別在于打印材料以及層間黏結(jié)、固化方式。

(1) 三維打印成型

三維打印成型工藝如圖5所示。將陶瓷粉末平鋪在打印平臺(tái)上,通過打印頭逐層噴射黏結(jié)劑使陶瓷粉末黏結(jié)在一起形成打印構(gòu)件。3DP 工藝具有成型時(shí)間短、成本低、材料利用率高等優(yōu)點(diǎn),但打印的構(gòu)件存在孔隙率高、精度差、材料分布不均勻等問題,只能用于強(qiáng)度要求不高的場(chǎng)合。

圖5 三維打印成型工藝示意圖

(2) 激光選區(qū)燒結(jié)

激光選區(qū)燒結(jié)工藝如圖6所示。將混入了黏結(jié)劑的陶瓷粉末打印材料通過鋪粉裝置平鋪在升降平臺(tái)上,激光器發(fā)射的紅外光束通過x-y掃描鏡對(duì)指定區(qū)域進(jìn)行逐層掃描,使陶瓷粉末中的黏結(jié)劑熔化,并與已成形的部分黏結(jié)形成打印構(gòu)件。SLS工藝打印速度快,但對(duì)工作環(huán)境和打印設(shè)備有較高的要求,且打印的陶瓷構(gòu)件致密性差、力學(xué)性能不高。

圖6 激光選區(qū)燒結(jié)工藝示意圖

(3) 熔融沉積成型

熔融沉積成型工藝如圖7所示。將陶瓷粉末和黏結(jié)劑進(jìn)行均勻混合,黏結(jié)劑在打印噴嘴中進(jìn)行加熱至熔化后,絲狀流體材料從軸線上被擠出并逐層沉積在打印平臺(tái)上,得到三維打印構(gòu)件。

圖7 熔融沉積成型工藝示意圖

(4) 立體光刻成型

立體光刻成型工藝如圖8所示。首先在升降平臺(tái)表面鋪上一定厚度的陶瓷料漿。然后激光器發(fā)射的紫外光束通過x-y掃描鏡按打印輪廓逐點(diǎn)掃描,使陶瓷料漿中的光敏樹脂固化,形成一個(gè)固化層。每打印一層,升降平臺(tái)下降一定高度,并用刮板刮平固化層表面的陶瓷料漿,再進(jìn)行后續(xù)層的掃描固化,直至完成構(gòu)件打印。SLA 工藝打印的陶瓷素坯表面質(zhì)量較好、強(qiáng)度較高,但采用逐點(diǎn)掃描固化導(dǎo)致打印效率相對(duì)較低。

圖8 立體光刻成型工藝示意圖

(5) 數(shù)字光處理成型

數(shù)字光處理成型工藝與SLA 工藝較為接近,均為光固化成型。不同之處是DLP 采用光學(xué)投影系統(tǒng)將待打印的圖像輪廓進(jìn)行整體投影,單次固化面積大,因此打印速度比SLA 有了一定提高,且成型精度優(yōu)于SLA。

此外,陶瓷3D 打印還有分層實(shí)體制造、噴墨打印成型等工藝方法,但這些工藝方法制備的陶瓷構(gòu)件強(qiáng)度較低,不能用于對(duì)力學(xué)性能要求較高的透波陶瓷成型。

2.3 陶瓷3D 打印工藝方法對(duì)比

從成型速度、打印精度、制造成本、構(gòu)件強(qiáng)度等方面對(duì)陶瓷3D 打印工藝進(jìn)行指標(biāo)對(duì)比分析,如表1所示。

表1 陶瓷3D打印工藝的指標(biāo)對(duì)比

不同的陶瓷3D 打印工藝具有不同的特點(diǎn)。針對(duì)導(dǎo)彈天線罩等應(yīng)用場(chǎng)合,由于導(dǎo)彈天線罩對(duì)力學(xué)強(qiáng)度、表面質(zhì)量、電性能均有嚴(yán)格的要求,3DP工藝打印的陶瓷構(gòu)件強(qiáng)度過低而難以滿足要求。SLS工藝和FDM 工藝可用于單層結(jié)構(gòu)的陶瓷天線罩打印,并通過后續(xù)的精密加工保證表面質(zhì)量,但打印的構(gòu)件精度較低,因此難以用于寬帶夾層結(jié)構(gòu)天線罩的打印。SLA 工藝和DLP工藝打印的陶瓷構(gòu)件表面質(zhì)量和精度較高,可用于各類陶瓷天線罩的制備,但打印效率較低、成本較高。

3 透波陶瓷構(gòu)件3D 打印發(fā)展重點(diǎn)

打印設(shè)備、打印材料和打印工藝(含后處理工藝)是陶瓷3D 打印的三大基石。面向新一代大尺寸、高性能透波陶瓷構(gòu)件的精密打印需求,需要從三個(gè)方面開展重點(diǎn)研究。

3.1 大尺寸陶瓷構(gòu)件3D打印設(shè)備研制

陶瓷天線罩尺寸普遍較大,需要采用大尺寸的陶瓷打印設(shè)備,打印設(shè)備的工作行程需達(dá)到600 mm×600 mm×600 mm 以上。目前國外在陶瓷打印設(shè)備方面具有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì),研制了多種類型的陶瓷打印設(shè)備,如法國3D Ceram、奧地利Lithoz等公司已經(jīng)推出了多款光固化3D 打印設(shè)備。3D Ceram 公司在2018年推出的超大尺寸陶瓷3D 打印設(shè)備CERAMAKER3600,打印行程達(dá)到600 mm×600 mm×300 mm。該打印設(shè)備如圖9所示。

圖9 CERAMAKER3600陶瓷3D 打印設(shè)備

目前國內(nèi)也擁有了一批陶瓷3D 打印設(shè)備的研發(fā)企業(yè),如北京十維科技、浙江迅實(shí)科技、深圳長(zhǎng)朗、蘇州中瑞科技、昆山博力邁等?；贔DM等常規(guī)工藝的大尺寸陶瓷打印設(shè)備已較為成熟。光固化工藝是實(shí)現(xiàn)陶瓷構(gòu)件高質(zhì)量打印的重要手段,但目前國內(nèi)光固化設(shè)備的工作行程普遍在300 mm×300 mm×300 mm 以內(nèi),還難以滿足導(dǎo)彈天線罩的打印需求,因此迫切需要開展光固化大尺寸陶瓷3D 打印設(shè)備的研制工作。

3.2 高性能陶瓷3D打印材料制備

打印材料的綜合性能是影響打印質(zhì)量的關(guān)鍵。目前國內(nèi)在3D 打印材料方面已開展了大量的研究,但主要集中于氧化鋁(Al2O3)、氧化鋯(Zr O2)、硅酸鈣(CaSiO3)、碳化硅(SiC)等非透波陶瓷材料[28-30],對(duì)透波陶瓷材料的研究較少。陸春等[31]研究了光固化3D 打印的氧化硅陶瓷,但燒結(jié)后的陶瓷構(gòu)件抗彎強(qiáng)度較低。嚴(yán)鵬飛等[32]研究了光固化3D 打印的致密氮化硅陶瓷,但致密氮化硅陶瓷不能用于透波領(lǐng)域。翁作海等[33]研究了3D 打印的多孔氮化硅陶瓷,但該類陶瓷構(gòu)件抗彎強(qiáng)度過低。透波陶瓷材料(多孔芯層除外)一般需滿足的主要參數(shù)如表2所示。針對(duì)透波陶瓷的打印要求,需要開展打印材料研究,形成性能穩(wěn)定的材料體系和批量化制備能力。

表2 透波陶瓷材料需滿足的主要參數(shù)

3.3 大尺寸陶瓷構(gòu)件3D打印工藝研究

陶瓷構(gòu)件的3D 打印過程包含素坯打印、脫脂、燒結(jié),任意環(huán)節(jié)控制不當(dāng)都可能造成打印失敗,因此需要對(duì)打印工藝進(jìn)行深入研究。

(1) 素坯打印工藝

大尺寸陶瓷構(gòu)件的打印用時(shí)較長(zhǎng),以尺寸為φ200 mm×500 mm 的陶瓷構(gòu)件為例,其連續(xù)打印時(shí)間在150 h以上。打印過程中一旦出現(xiàn)層間裂紋、氣孔、滑移等缺陷,就有可能導(dǎo)致構(gòu)件報(bào)廢,因此打印過程的穩(wěn)定控制非常重要。對(duì)于錐形結(jié)構(gòu)的陶瓷天線罩來說,需通過工藝研究,解決素坯底面與打印平臺(tái)的牢固結(jié)合、打印截面尺寸大跨度條件下的打印參數(shù)優(yōu)化調(diào)控、打印構(gòu)件層間的結(jié)合強(qiáng)度等關(guān)鍵問題。

(2) 脫脂工藝

3D 打印的陶瓷素坯中含有大量的有機(jī)黏結(jié)劑等成份,需要通過脫脂工藝進(jìn)行去除。脫脂工藝包括溶劑脫脂、熱解脫脂等過程。熱解脫脂是脫脂過程中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié),升溫速率、脫脂溫度及氣氛條件是熱解脫脂過程的重要參數(shù)。脫脂速度過快可能使素坯產(chǎn)生變形、開裂等缺陷,速度過慢則會(huì)使脫脂時(shí)間過長(zhǎng)。因此,必須結(jié)合素坯中添加的有機(jī)物的具體成份,研究及制定優(yōu)化的脫脂工藝[34]。

(3) 燒結(jié)工藝

脫脂后的陶瓷素坯強(qiáng)度非常低,必須通過高溫?zé)Y(jié)實(shí)現(xiàn)陶瓷素坯的晶界移動(dòng)、氣孔排除,使坯體收縮,成為具有一定強(qiáng)度的致密的瓷體。燒結(jié)是使坯體陶瓷化的重要工藝過程,是決定陶瓷構(gòu)件最終性能的關(guān)鍵。燒結(jié)過程中坯體有顯著的收縮現(xiàn)象,如果燒結(jié)工藝控制不當(dāng),陶瓷構(gòu)件容易出現(xiàn)開裂、變形、強(qiáng)度低等缺陷。燒結(jié)過程中的關(guān)鍵控制點(diǎn)包括坯體的裝夾、升溫速率、燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間等,需要對(duì)燒結(jié)工藝進(jìn)行深入研究,才能獲得高強(qiáng)度、無質(zhì)量缺陷的燒結(jié)構(gòu)件。

4 結(jié)論

高性能透波陶瓷在航空航天領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。隨著技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)有的復(fù)雜外形透波陶瓷構(gòu)件面臨著試制周期長(zhǎng)、成型困難等難題。發(fā)展先進(jìn)的陶瓷3D 打印技術(shù),特別是SLA 和DLP打印技術(shù),對(duì)于導(dǎo)彈天線罩等高性能陶瓷構(gòu)件的設(shè)計(jì)、研制和生產(chǎn)具有積極的推動(dòng)作用。

高性能透波陶瓷構(gòu)件的3D 打印是一個(gè)系統(tǒng)工程,涉及大尺寸打印設(shè)備、打印材料和打印工藝等多個(gè)方面。目前高性能透波陶瓷構(gòu)件的3D 打印還處于起步階段,迫切需要開展深入研究,攻克設(shè)備、材料、工藝等一系列關(guān)鍵技術(shù)。