3D打印-激光烧结-微纳加工平台高效制备质子导体能源器件

摘要

为实现基于具有高质子传导性的质子陶瓷材料——钙钛矿的能源器件可以广泛应用，解决其高耐火性、易碎裂等特征导致的加工工艺复杂且局限的问题，开发一种集成了基于微挤压的3D打印和精确快速的激光加工（烧结、干燥、切割与抛光）的新型激光3D打印技术，并将其应用于制造质子导体能源器件，实现高能量密度集成器件的快速高效低成本的制造方法.利用3D打印将自主研发的质子陶瓷原粉浆料按照设计模型进行逐层打印；利用CO₂激光对打印层进行快速干燥以及原位反应烧结；利用皮秒激光对加工层进行微纳加工，如抛光与切割等.通过实验可知：该技术成功3D打印制造了质子导体能源器件；激光反应烧结了原粉，获得了钙钛矿晶体结构的质子陶瓷；利用皮秒激光快速精准加工了微通道能源器件；加工制备了燃料电池且制备的器件具有不输于已报道的传统工艺的性能，其电解质电导率约为6.95×10^-3 S/cm.实验结果表明：3D打印-激光烧结-微纳加工平台不仅可以高效精准制造质子陶瓷材料及其能源器件，而且可以实现传统工艺无法制备的具有复杂结构的器件，同时为基于质子导体材料的能源器件未来的实际投入使用带来可能.

关键词

3D打印 / 激光加工 / 质子导体陶瓷 / 先进加工技术

基金资助

国家自然科学基金项目(52202271); 辽宁省博士科研启动基金计划项目(2023-BS-144)