Ceramica dielettrica per stampa 3D senza fase di sinterizzazione

In un documento intitolato ” ceramica dielettrica per stampa 3D senza fase di sinterizzazione “, un gruppo di ricercatori descrive come hanno creato parti dielettriche in ceramica attraverso la stampa 3D, eludendo la fase di sinterizzazione normalmente necessaria. La sinterizzazione convenzionale consuma sia tempo che energia, spiegano. Normalmente, la polvere di ceramica è imballata con additivi organici sotto compressione, seguita da burnout di legante e sinterizzazione ad alte temperature. Il processo porta alla densificazione della polvere in un pezzo solido grazie al trasporto di massa assistito termicamente. Il tempo e l’energia consumati dal processo sono solo uno degli inconvenienti: è anche difficile controllare il restringimento, il che significa che potrebbe essere necessaria un’ulteriore sagomatura della parte.

La fusione del letto di polvere è l’unico processo in un’unica fase per la produzione additiva di ceramiche. Nel documento, i ricercatori si sono concentrati sull’estrusione dei materiali. Hanno creato una pasta stampabile 3D mescolando il materiale idrosolubile al litio molibdato (Li 2 MoO 4 ) con acqua.

“Il litio molibdato (Li 2 MoO 4 ) è un materiale ceramico dielettrico non tossico, che è stato studiato per l’inibizione della corrosione e le applicazioni di rilevamento dell’umidità nonché un materiale scintillatore per la rilevazione di alcuni processi nucleari rari, materiale anodico per batterie Li-ion in forma modificata e catalizzatore per l’ossidazione del metano “, spiegano i ricercatori. “Per i dispositivi a microonde, Li 2 MoO 4  è interessante per la sua perdita dielettrica vantaggiosamente bassa oltre alla sua bassa temperatura di sinterizzazione di 540 ° C. Tuttavia, Li 2 MoO 4  è solubile in acqua, consentendo la produzione di componenti a temperature così basse come la temperatura ambiente. ”
In questo metodo, noto come fabbricazione a temperatura ambiente o RTF, la polvere di litio molibdato è stata inumidita con acqua e la parziale dissoluzione del materiale ha formato una fase acquosa che aiuta l’impaccamento e la densificazione delle particelle durante la compressione ed evita il ritiro. Il litio molibdato disciolto si ricristallizza durante l’essiccazione a causa dell’evaporazione dell’acqua, che viene accelerata dal trattamento termico. Poiché non è richiesta alcuna sinterizzazione, non vi è alcuna formazione di fasi supplementari o di disallineamenti di espansione del calore.

Una volta formata una miscela viscosa di particelle ceramiche solide e fase acquosa satura, i dischi campione sono stati stampati in 3D usando una stampante 3D a siringa a basso costo. I campioni sono stati stampati con superfici lisce, la pasta estrudendo con successo con un buon comportamento di taglio. La microstruttura delle parti stampate è stata analizzata, così come le densità e le proprietà dielettriche. Il contenuto di acqua nella miscela è stato mantenuto il più basso possibile per evitare la porosità, così come il cracking e il restringimento che possono verificarsi con un tempo di asciugatura più lungo.

“Il consolidamento e la densificazione delle parti stampate si è verificato durante sia la stampa che l’essiccazione della pasta a causa della pressione di estrusione, delle forze capillari e della ricristallizzazione del Li 2 MoO 4 disciolto . L’essiccazione completa della pasta è stata assicurata dal riscaldamento a 120 ° C “, affermano i ricercatori. “La microstruttura non mostrava delaminazione degli strati stampati. Sono state ottenute densità relativamente elevate e buone proprietà dielettriche, specialmente considerando che non è stata impiegata alcuna sinterizzazione e solo la pressione dall’estrusione. Si prevede che questo approccio sia fattibile per ceramiche e compositi ceramici simili. ”
Tra gli autori della carta ci sono Maria Väätäjä, Hanna Kähäri, Katja Ohenoja, Maciej Sobocinski, Jari Juuti e Heli Jantunen.

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