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「南方科技大学」南科大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” 。
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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 。
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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 。
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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）
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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 。
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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 。


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