О влиянии хрома на стереолитографическую печать суспензиями на основе оксида алюминия

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Изучено влияние небольших добавок Cr2O3 и иона Cr3+ на оптические свойства порошков и фотоотверждаемых суспензий для трехмерной печати на основе высокочистого оксида алюминия. Показана сильная зависимость глубины полимеризации суспензий от количества окрашивающей добавки в порошках Al2O3. Методом DLP 3D-печати с последующим высокотемпературным спеканием были изготовлены тонкостенные планарные образцы высокоплотной керамики периодической структуры. Изучены микроструктура и люминесцентные свойства полученной керамики. На спектре фотолюминесценции присутствует красное излучение в виде узкой интенсивной линии при 294 нм (характеристическая линия рубина). Кривые затухания люминесценции имели одноэкспоненциальный характер с временем затухания ~3.7 мс.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Л. В. Ермакова

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Author for correspondence.
Email: ermakova.lydiav@yandex.ru
Russian Federation, Москва

В. В. Дубов

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Email: ermakova.lydiav@yandex.ru
Russian Federation, Москва

Р. Р. Сайфутяров

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Email: ermakova.lydiav@yandex.ru
Russian Federation, Москва

Д. Е. Лелекова

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Email: ermakova.lydiav@yandex.ru
Russian Federation, Москва

С. К. Белусь

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Email: ermakova.lydiav@yandex.ru
Russian Federation, Москва

В. Г. Смыслова

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Email: ermakova.lydiav@yandex.ru
Russian Federation, Москва

П. В. Карпюк

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Email: ermakova.lydiav@yandex.ru
Russian Federation, Москва

П. С. Соколов

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Email: sokolov-petr@yandex.ru
Russian Federation, Москва

References

  1. Опарина И.Б., Колмаков А.Г. Методы получения прозрачной поликристаллической керамики из оксида алюминия (Обзорная статья) // Новые огнеупоры. 2021. № 4. С. 20–26. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2021-4-20-26
  2. Абызов А.М. Оксид алюминия и алюмооксидная керамика (Обзор). Часть 1. Свойства Al2O3 и промышленное производство дисперсного Al2O3 // Новые огнеупоры. 2019. № 1. С. 16–23. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2019-1-16-23
  3. Ratzker B., Wagner A., Kalabukhov S., Frage N. Improved Alumina Transparency Achieved by High-pressure Spark Plasma Sintering of Commercial Powder // Ceram. Int. 2021. V. 46. № 13. P. 21794–21799. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.05.198
  4. Ratzker B., Wagner A., Favelukis B., Goldring S., Kalabukhov S., Frage N. Optical Properties of Transparent Polycrystalline Ruby (Cr:Al2O3) Fabricated by High-Рressure Spark Plasma Sintering // J. Eur. Ceram. Soc. 2021. V. 41. № 6. P. 3520–3526. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.01.022
  5. Ratzker B., Wagner A., Favelukis B., Ayalon I., Shrem R., Kalabukhov S., Frage N. Effect of Synthesis Route on Optical Properties of Cr:Al2O3 Transparent Ceramics Sintered Under High Pressure // J. Alloys Compd. 2022. V. 913. № 8. P. 165186. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.165186
  6. Drdlikova K., Klement R., Drdlik D., Galusek D., Maca K. Processing and Properties of Luminescent Cr3+ Doped Transparent Alumina Ceramics // J. Eur. Ceram. Soc. 2020. V. 40. № 7. P. 2573–2580. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.11.010
  7. Santiago M., De Barros V. S., Khoury H. J., Molina P., Elihimas D. R. Radioluminescence of Rare-earth Doped Aluminum Oxide // Appl. Radiat. Isot. 2012. V. 71. P. 15–17. https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2012.02.009
  8. Li H., Yang H., Yuan R., Sun Z., Yang Y., Zhao J., Zhang Z. Ultrahigh Spatial Resolution, Fast Decay, and Stable X‐ray Scintillation Screen through Assembling CsPbBr3 Nanocrystals Arrays in Anodized Aluminum Oxide // Adv. Opt. Mater. 2021. V. 9. № 24. P. 2101297. https://doi.org/10.1002/adom.202101297
  9. Zhao X., Jin T., Gao W., Niu G., Zhu J., Song B., Tang J. Embedding Cs3Cu2I5 Scintillators into Anodic Aluminum Oxide Matrix for High‐resolution X‐ray Imaging // Adv. Opt. Mater. 2021. V. 9. № 24. P. 2101194. https://doi.org/10.1002/adom.202101194
  10. Jimenez-Rey D., Zurro B., McCarthy K. J., Garcia G., Baciero A. The Response of a Radiation Resistant Ceramic Scintillator (Al2O3:Cr) to Low Energy Ions (0–60 keV) // Rev. Sci. Instrum. 2008. V. 79. № 10. P. 10E516. https://doi.org/10.1063/1.2953595
  11. Carloni D., Zhang G., Wu Y. Transparent Alumina Ceramics Fabricated by 3D Printing and Vacuum Sintering // J. Eur. Ceram. Soc. 2021. V. 41. № 1. P. 781–791. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.07.051
  12. Cooperstein I., Indukuri S.R.K.C., Bouketov A., Levy U., Magdassi S. 3D Printing of Micrometer-sized Transparent Ceramics with On-demand Optical-gain Properties // Adv. Mater. 2020. V. 32. № 28. P. 2001675. https://doi.org/10.1002/adma.202001675
  13. Sun Y., Li M., Jiang Y., Xing B., Shen M., Cao C., Wang C., Zhao Z. High-quality Translucent Alumina Ceramic Through Digital Light Processing Stereolithography Method // Adv. Eng. Mater. 2021. V. 23. № 7. P. 2001475. https://doi.org/10.1002/adem.202001475
  14. Ievlev V.M., Putlyaev V.I., Safronova T.V., Evdokimov P.V. Additive Technologies for Making Highly Permeable Inorganic Materials with Tailored Morphological Architectonics for Medicine // Inorg. Mater. 2015. V. 51. № 13. P. 1297–1315. https://doi.org/10.1134/S0020168515130038
  15. Тихонова С.А., Евдокимов П.В., Путляев В.И., Голубчиков Д.О., Мурашко А.М., Леонтьев Н.В., Филипов Я.Ю., Щербаков И.М. Формирование композитов с гидрогелевой матрицей, наполненных магнитоэлектрическими элементами феррит кобальта/пьезоэлектрик, методом стереолитографической 3D-печати // Перспективные материалы. 2022. Т. 51. № 8. С. 36–47. https://doi.org/10.30791/1028-978X-2022-8-36-47
  16. Goldberg M., Obolkina T., Smirnov S., Protsenko P., Titov D., Antonova O., Konovalov A., Kudryavtev E., Sviridova I., Kirsanova V., Sergeeva N., Komlev V., Barinov S. The Influence of Co Additive on the Sintering, Mechanical Properties, Cytocompatibility, and Digital Light Processing Based Stereolithography of 3Y-TZP-5Al2O3 Ceramics // Materials. 2020. V. 13. № 12. P. 2789. https://doi.org/10.3390/ma13122789
  17. Смирнов С.В., Малютин К.В., Проценко П.В., Оболкина Т.О., Антонова О.С., Гольдберг М.А., Кочанов Г.П., Хайрутдинова Д.Р., Баринов С.М. Технология получения керамических изделий сложной формы из ZrO2 посредством DLP 3D-печати // Тр. КНЦ РАН. Химия и материаловедение. 2021. Т. 11. № 2. С. 239–242. https://doi.org/10.37614/2307-5252.2021.2.5.048
  18. Li Y., Wang M., Wu H., Wang M., Wu H., He F., Chen Y., Wu S. Cure Behavior of Colorful ZrO2 Suspensions During Digital Light Processing (DLP) Based Stereolithography Process // J. Eur. Ceram. Soc. 2019. V. 39. № 15. P. 4921–4927. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.07.035
  19. Liu Y., Zhan L., Wen L., Cheng L., He Y., Xu B., Liu S. Effects of Particle Size and Color on Photocuring Performance of Si3N4 Ceramic Slurry by Stereolithography // J. Eur. Ceram. Soc. 2021. V. 41. № 4. P. 2386–2394. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.11.032
  20. Ding G., He R., Zhang K., Xie C., Wang M., Yang Y., Fang D. Stereolithography‐based Additive Manufacturing of Gray‐colored SiC Ceramic Green body // J. Am. Ceram. Soc. 2019. V. 102. № 12. P. 7198–7209. https://doi.org/10.1111/jace.16648
  21. Zhao H., Xing H., Lai Q., Zhao Y., Chen Q., Zou B. Additive Manufacturing of Graphene Oxide/hydroxyapatite Bioceramic Scaffolds with Reinforced Osteoinductivity Based on Digital Light Processing Technology // Mater. Des. 2022. V. 223. P. 111231. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111231
  22. Quanchao G.U., Sun L., Xiaoyu J.I., Wang H., Jinshan Y.U., Zhou X. High-performance and High-precision Al2O3 Architectures Enabled by High-solid-loading, Graphene-containing Slurries for Top-down DLP 3D Printing // J. Eur. Ceram. Soc. 2023. V. 43. № 1. P. 130–142. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2022.09.048
  23. Tayoda T., Obikawa T., Shigenari T. Photoluminescence Spectroscopy of Cr3+ in Ceramic Al2O3 // Mater. Sci. Eng. B. 1998. V. 54. № 1-2. P. 33–37. https://doi.org/10.1016/S0921-5107(98)00122-6
  24. Ермакова Л.В., Кузнецова Д.Е., Поплевин Д.С., Смыслова В.Г., Карпюк П.В., Соколов П.С., Досовицкий Г.А., Чижевская С.В. Влияние акрилатного мономера на характеристики фотополимеризуемых суспензий для получения керамики из стабилизированного ZrO2 // Стекло и керамика. 2022. Т. 95. № 10. С. 3–10. https://doi.org/10.14489/glc.2022.10.pp.003-010
  25. Ермакова Л.В., Кузнецова Д.Е., Смыслова В.Г., Соколов П.С., Досовицкий Г.А., Чижевская С.В. Влияние диспергирующих добавок на свойства фотоотверждаемых суспензий на основе стабилизированного диоксида циркония // Новые огнеупоры. 2022. № 10. С. 45–50. https://doi.org/10.17073/1683-4518-2022-10-45-50
  26. Tikhonov A., Evdokimov P., Klimashina E., Tikhonova S., Karpushkin E., Scherbakov I., Dubrov V., Putlayev V. Stereolithographic Fabrication of Three-dimensional Permeable Scaffolds from CaP/PEGDA Hydrogel Biocomposites for Use as Bone Grafts // J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2020. V. 110. P. 103922. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2020.103922
  27. Ermakova L.V., Dubov V.V., Saifutyarov R.R., Kuznetsova D.E., Malozovskaya M.S., Karpyuk P.V., Dosovitskiy G.A., Sokolov P.S. Influence of Luminescent Properties of Powders on the Fabrication of Scintillation Ceramics by Stereolithography 3D Printing // Ceramics. 2023. V. 6. № 1. P. 43–57. https://doi.org/10.3390/ceramics6010004
  28. Baronskiy M.G., Tsybulya S.V., Kostyukov A.I., Zhuzhgov A.V., Snytnikov V.N. Structural Properties Investigation of Different Alumina Polymorphs (η-, γ-, χ-, θ-, α-Al2O3) Using Cr3+ as a Luminescent Probe // J. Lumin. 2022. V. 242. P. 118554. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2021.118554
  29. Johansson E., Lidstrom O., Johansson J., Lyckfeldt O., Adolfsson E. Influence of Resin Composition on the Defect Formation in Alumina Manufactured by Stereolithography // Materials. 2017. V. 10. № 2. P. 138. https://doi.org/10.3390/ma10020138
  30. Zheng T., Wang W., Sun J., Liu J., Bai J. Development and Evaluation of Al2O3–ZrO2 Composite Processed by Digital Light 3D Printing // Ceram. Int. 2020. V. 46. № 7. P. 8682–8688. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.12.102
  31. Sokolov P.S., Komissarenko D.A., Shmeleva I.A., Slyusar I.V., Dosovitskiy G.A., Evdokimov P.V., Putlyaev V.I., Dosovitskiy A.E. Suspensions on the Basis of Stabilised Zirconium Oxide for Three-dimensional Printing // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2018. V. 347. P. 012012. https://doi.org/10.1088/1757-899X/347/1/012012
  32. Choe G.B., Kim G.N., Lee H., Koh Y.H., Kim H.E. Novel Camphene/Photopolymer Solution as Pore-forming Agent for Photocuring-assisted Additive Manufacturing of Porous Ceramics // J. Eur. Ceram. Soc. 2021. V. 41. № 1. P. 655–662. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.08.012
  33. Conti L., Bienenstein D., Borlaf M., Graule T. Effects of the Layer Height and Exposure Energy on the Lateral Resolution of Zirconia Parts Printed by Lithography-Based Additive Manufacturing // Materials. 2020. V. 13. № 6. P. 1317. https://doi.org/10.3390/ma13061317
  34. Moshkovitz M.Y., Paz D., Magdassi S. 3D Printing Transparent γ-Alumina Porous Structures Based on Photopolymerizable Sol–Gel Inks // Adv. Mater. Technol. 2023. P. 2300123. https://doi.org/10.1002/admt.202300123
  35. McCarthy K.J., Baciero A., Zurro B., Arp U., Tarrio C., Lucatorto T.B., Morono A., Martin P., Hoidgson E.R. Characterization of the Response of Chromium-doped Alumina Screens in the Vacuum Ultraviolet Using Synchrotron Radiation // J. Appl. Phys. 2002. V. 92. № 11. P. 6541–6545. https://doi.org/10.1063/1.1518133
  36. Lin Z., Lv S., Yang Z., Qiu J., Zhou S. Structured Scintillators for Efficient Radiation Detection // Adv. Sci. 2022. V. 9. № 2. P. 2102439. https://doi.org/10.1002/advs.202102439
  37. Korzhik M., Fedorov A., Komendo I., Amelina A., Gordienko E., Gurinovich V., Guzov V., Dosovitskiy G., Kozhemyakin V., Kozlov D., Lopatik A., Mechinsky V., Retivov V., Smyslova V., Zharova A. GYAGG/6LiF Composite Scintillation Screen For Neutron Detection // Nucl. Eng. Technol. 2021. V. 54. № 3. P. 1024–1029. https://doi.org/10.1016/j.net.2021.09.024
  38. Shevelev V.S., Ishchenko A.V., Vanetsev A.S., Nagirnyi V., Omelkov S.I. Ultrafast Hybrid Nanocomposite Scintillators: A Review // J. Lumin. 2022. V. 242. P. 118534. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2021.118534

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. SEM images of initial α-Al2O3 BMA-15 (a) and Cr2O3 (b) powders

Download (393KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Diffuse reflectance spectra of Al2O3 (1), Al2O3 + 0.13 wt% Cr2O3 (2) and Al2O3 + 0.28 wt% Cr2O3 (3), BK94-1 (4) and Cr2O3 powders (the vertical dashed line at 405 nm indicates the maximum luminosity of the UV source used in the Ember 3D printer)

Download (86KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependences of polymerisation depth on energy dose for HDDA/w9010/TPO-L suspensions based on highly dispersed Al2O3 powders (1), mixtures of Al2O3 + 0.13 wt. % Cr2O3 (2) and Al2O3 + 0.28 wt. % Cr2O3 (3), BK94-1 (4), Al1.998Cr0.002O3 (5) and Al1.996Cr0.004O3 (3). % Cr2O3 (3), BK94-1 (4), Al1.998Cr0.002O3 (5) and Al1.996Cr0.004O3 (6) with 35 vol.% filling; dashed lines - least squares approximation according to Jacobs equation (see Table 1)

Download (89KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Representative optical photographs: Al2O3/Cr2O3/HDDA composite after DLP 3D printing (a) and Al2O3:Cr3+ ceramics after high temperature sintering at 1600 °C 2 h (b) (hole size in composite 760(20) μm, hole spacing 490(10) μm; hole size in ceramics 580(20) μm, hole spacing 380(10) μm)

Download (198KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. PL spectra (λvozb = 403 nm) of Al2O3:Cr3+ ceramics and excitation spectra (λreg = 694 nm) of Al2O3:Cr3+ ceramics: solid lines - PL excitation spectra, dashed lines - PL spectra; black and red lines - samples 2 and 3, respectively (see Table 1)

Download (111KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. FL attenuation kinetics of Al2O3:Cr3+ ceramics at λreg = 694 nm and λvobb = 403 nm: black circles and red triangles are experimental data for samples 2 and 3, respectively, dashed lines are their single-exponential description

Download (101KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences