《硅酸盐学报》“陶瓷增材制造”专题导读

《硅酸盐学报》“陶瓷增材制造”专题编者按

方兴未艾的陶瓷增材制造

吴甲民1,2

(1. 华中科技大学材料科学与工程学院，材料成形与模具技术国家重点实验室，武汉 430074；
2. 增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心，武汉 430074)

陶瓷材料因具有高强度、耐高温、耐腐蚀及良好的绝缘性和生物相容性等特点，被广泛应用于机械、电子、航空航天、生物医疗等领域。随着具备力学、热学、光学、电学及生物特性的新型陶瓷的快速发展，制造高性能、复杂结构陶瓷零件的需求日益迫切，这对陶瓷成型方法提出了越来越高的要求。传统陶瓷成型方法，如干压、凝胶注模、等静压、流延等对模具依赖性强，部分复杂结构陶瓷甚至难以采用传统成型方法制造。因此，探索无需模具的高性能、复杂结构陶瓷零件的新型成型方法已成为陶瓷领域的研究热点。

陶瓷增材制造技术是一种通过离散材料逐层制造并叠加得到三维复杂结构陶瓷零件的先进制造技术，具有材料利用率高、制造灵活性强、数字化程度高等优势，适用于小批量、复杂结构的陶瓷零件制造。目前，主流的陶瓷增材制造技术包括激光选区烧结、立体光固化、数字光处理、墨水直写等，这些技术在机械、电子、航空航天、生物医疗等领域用高性能陶瓷制造方面具有广阔的应用前景。目前，陶瓷增材制造技术已成为解决复杂结构陶瓷零件制造瓶颈问题的关键技术之一。随着陶瓷增材制造原料、装备、软件、工艺等不断完善和发展，陶瓷增材制造技术将实现信息化、智能化及产业化的进一步提升，有望推动航空航天、生物医疗等重点领域关键问题的突破，为“中国制造2025”战略背景下我国从制造大国向制造强国的转变提供有力支撑。

基于上述背景，来自华中科技大学、西安交通大学、北京科技大学、北京工业大学、北京理工大学、北京航天长征飞行器研究所、中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司等单位的各领域专家学者对各类陶瓷增材制造技术及其应用进行了详细介绍，形成了本专题的主要内容框架。本专题包括2篇综述文章和4篇研究性文章，较为详细地介绍了激光选区烧结、立体光固化、数字光处理、墨水直写等主流陶瓷增材制造技术及相关复合制造技术，并介绍了这些方法在生物医用材料、过滤材料、隔热材料、陶瓷铸型、陶瓷点阵结构、电子元器件等诸多方面的具体应用。

目前，陶瓷增材制造技术及其应用已受到了科研院所和产业界的广泛关注，发展迅速，涉及诸多陶瓷材料体系和应用领域。由于作者水平有限，本专题仅涉及到陶瓷增材制造及其应用方面的部分内容，且疏漏之处在所难免，还请各位读者批评指正。

引用：吴甲民.方兴未艾的陶瓷增材制造[J].硅酸盐学报, 2021, 49(9): 1785-1785.

《硅酸盐学报》“陶瓷增材制造”专题导读

1

基于增材制造的陶瓷材料点阵结构研究现状与挑战

殷德政1，张学勤2，张可强2，何汝杰2

(1. 北京航天长征飞行器研究所，北京 100076；2. 北京理工大学先进结构技术研究院，北京 100081)

摘  要：陶瓷材料点阵结构在力学、电磁、声学、热学等领域应用前景广阔。近年来发展起来对增材制造技术为复杂陶瓷材料点阵结构的获得提供了崭新的技术途径。本综述系统介绍对比了陶瓷材料点阵结构的常见增材制造工艺方法，包括立体光刻、数字光处理、双光子光刻、挤出成型、墨水直写、激光选区烧结等。此外，众多研究发现通过设计陶瓷材料点阵功能基元的结构和序构方式可以有效调控陶瓷材料点阵的物理特性，本综述首先归纳了基于力学设计等陶瓷材料点阵结构研究现状，接下来从超常规力学、电磁学、声学、传热、零膨胀、光学等多功能设计角度归纳了新型陶瓷材料点阵结构研究现状。最后，从点阵结构制造缺陷控制、超常力学行为设计、防生化结构设计、智能化结构设计以及结构功能一体化角度，分析了陶瓷材料点阵结构增材制造可能面临的机遇与挑战。

引用：殷德政,张学勤,张可强,何汝杰.基于增材制造的陶瓷材料点阵结构研究现状与挑战[J].硅酸盐学报, 2021, 49(9): 1786-1809.

2

基于浆料的陶瓷增材制造技术制备多孔陶瓷研究进展

张笑妍，杨君洁，李雯昊

(北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083)

摘  要：多孔陶瓷因将多孔结构引入到陶瓷材料中而具备体积密度低、比表面积高、导热系数低、耐高温、耐腐蚀等特点，在催化过滤、生物支架、保温隔热、轻质结构部件等方面具有广泛的应用。多级孔陶瓷有效整合了多种孔结构带来的性能优势，实现了材料在同等体积水平的功能最大化，成为多孔陶瓷的发展趋势，然而其制备仍存在巨大挑战。陶瓷增材制造技术突破了传统陶瓷成形工艺需要特定模具且成形精度低的限制，仅通过层层连接的方式即可成形各种复杂形状、高精度陶瓷材料。打印前原材料形式包括粉体、块材、线材和浆料，其中基于浆料的陶瓷增材制造技术结合了陶瓷增材制造技术及胶态成形工艺的优势，不仅有利于复杂组分之间均匀混合，还为构建亚微米甚至纳米级别孔结构，实现复杂形状、精细结构多级孔陶瓷的制备提供了条件。首先概述了5类以浆料形式进行打印的陶瓷增材制造技术，包括立体光固化技术、数字光处理技术、双光子聚合技术、喷墨印刷技术以及浆料直写成形技术。进一步系统分析了基于浆料的陶瓷增材制造技术与现有多孔陶瓷制备工艺结合制备多级孔陶瓷的研究现状。最后，对基于浆料的陶瓷增材制造技术制得多孔陶瓷的具体应用及发展方向进行了分析与展望。

引用：张笑妍,杨君洁,李雯昊.基于浆料的陶瓷增材制造技术制备多孔陶瓷研究进展[J].硅酸盐学报, 2021, 49(9): 1810-1827.

3

基于光固化3D打印技术的定向晶涡轮叶片快速制造

史凤岭1,2，陈  义1，苗  恺1，鲁中良1，李涤尘1，卢秉恒1

(1. 西安交通大学，机械制造系统工程国家重点实验室，西安 710049；2. 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，沈阳 110043)

摘  要：采用基于光固化3D打印和凝胶注模方法，实现型芯/型壳一体化的陶瓷铸型的快速制造。引入高活性硅粉，通过硅粉的高温反应烧结，能够降低陶瓷铸型的孔隙率，并促进高温强化相莫来石的生成，莫来石晶须的生成有助于提升陶瓷铸型的断裂韧性。当硅粉添加量为9%(质量分数)，烧结温度为1400℃时，铸型的高温强度可达到17.6 MPa，断裂韧性为1.78 MPa·m1/2。最终通过定向凝固工艺，实现了涡轮叶片的快速制造。

引用：史凤岭, 陈义, 苗恺, 鲁中良, 李涤尘, 卢秉恒.基于光固化3D打印技术的定向晶涡轮叶片快速制造[J]. 硅酸盐学报, 2021, 49(9): 1828-1836.

4

氧化锆生物陶瓷的立体光固化制备及其力学与生物性能

陈  芬1,2，吴亚茹1,2，朱  皓3，吴甲民1,2，肖  骏3，史玉升1,2

(1. 华中科技大学材料科学与工程学院，材料成形与模具技术国家重点实验室，武汉 430074；2. 增材制造陶瓷材料教育部工程研究中心，武汉 430074；3. 华中科技大学同济医学院同济医院骨科，武汉 430030)

摘  要：制备了用于立体光固化技术(SL)的ZrO2浆料，采用SL打印制备了ZrO2生物陶瓷，研究了烧结样品的力学性能与生物相容性。经过不同温度烧结后，ZrO2原粉中的m-ZrO2均完成了向t-ZrO2或c-ZrO2的转变。随着烧结温度的提高，陶瓷致密化程度提高，气孔数量减少；当烧结温度继续提高时，晶粒尺寸继续增大且大小不均匀。当烧结温度从1450℃升高至1600℃时，ZrO2生物陶瓷的维氏硬度和断裂韧性先增大后减小，且均在1500℃达到最大值，分别为14.87 GPa和6.73 MPa·m1/2，此时的线收缩率与相对密度分别为23.42%和97.32%。同时利用大鼠骨髓间充质干细胞(rBMSCs)进行体外细胞实验，证明了SL成形的ZrO2生物陶瓷具有较好的生物相容性，在牙科修复中具有广阔的应用前景。

引用：陈芬,吴亚茹,朱皓,吴甲民,陈颖,肖骏,史玉升.氧化锆生物陶瓷的立体光固化制备及其力学与生物性能[J].硅酸盐学报, 2021, 49(9): 1837-1845.

5

氧阻聚层调控原理及其对陶瓷光固化成型精度的影响

连  芩1,2，王永辉1,2，李涤尘1,2，何晓宁3

(1. 西安交通大学，机械制造系统工程国家重点实验室，西安 710054；2. 国家药品监督管理局医用增材制造器械研究与评价重点实验室，西安 710054；3. 西安电子科技大学，宽带隙半导体技术国家重点学科实验室，西安 710071)

摘  要：利用自由基树脂材料进行光固化3D打印时出现的“氧阻聚层”，为其连续制造和表面质量的提升提供了可能，但因对打印件的结构精度的调控机理不清，打印具有复杂外形的多孔结构件难以控制其成型精度。利用自制自由基生物陶瓷浆料经光固化3D打印制造多孔生物骨陶瓷支架，研究并提出了光固化过程中的3阶段的固化区间和氧阻聚层调控成型精度原理；建立了寻找合理的氧阻聚调控打印工艺参数的方法；发现了氧阻聚层不仅能够提升陶瓷制件的成型精度，也会影响其力学性能。由此建立起的氧阻聚层厚度对生物骨陶瓷支架的多孔结构成型精度和力学性能的作用机制，为多功能陶瓷打印技术及其陶瓷基骨替代物应用提供了高精度制造基础理论与方法。

引用：连芩,王永辉,李涤尘,何晓宁.氧阻聚层调控原理及其对陶瓷光固化成型精度的影响[J].硅酸盐学报, 2021, 49(9): 1846-1852.

6

3D打印空心点阵结构氧化铝陶瓷及其性能

孙立君1,2,3，董  鹏4，曾  勇1,2,3，陈继民1,2,3

(1. 北京工业大学材料与制造学部，北京 100124；2. 北京市数字化医疗3D打印工程技术研究中心，北京 100124；3. 跨尺度激光成型制造技术教育部重点实验室，北京 100124；4. 首都航天机械有限公司，北京 100076)

摘  要：多孔氧化铝陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、低热导率等众多优异的性能，在工业隔热领域的需求持续增加。采用数字光处理(DLP)3D打印技术制备了实心点阵和空心点阵2种不同构型的氧化铝陶瓷坯体，在1550℃的最佳烧结温度下保温4h烧结出性能稳定的氧化铝陶瓷。结果表明，实心点阵比空心点阵具有更大的抗压强度，实心点阵的最大抗压强度为4.80MPa。空心点阵的最大抗压强度为1.59MPa。力学测试结果与力学模拟仿真结果具有一致性。DLP技术成形的空心点阵结构氧化铝陶瓷将来可用于工业隔热应用领域。

引用：孙立君,董鹏,曾勇,陈继民.3D打印空心点阵结构氧化铝陶瓷及其性能[J].硅酸盐学报, 2021, 49(9): 1853-1860.

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《硅酸盐学报》2021年第9期“陶瓷增材制造”专题.pdf