类型a：学术研究报告

作者及机构
本研究的通讯作者为Jia-min Wu（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、教育部增材制造陶瓷材料工程研究中心），合作作者包括Ren-zhong Zhang、Yu-xuan Huang、Wei-kang Li等，研究团队来自华中科技大学、温州先进制造研究院及北京科技大学新材料技术研究院。论文发表于《Ceramics International》期刊2024年第50卷，在线发布于2024年3月27日。

学术背景
本研究属于生物陶瓷材料与增材制造交叉领域，聚焦于口腔修复用氧化锆（ZrO₂）陶瓷的低温降解（Low-Temperature Degradation, LTD）问题。氧化锆因高强度、生物相容性及化学稳定性被广泛用于牙冠和牙桥，但其四方相（t-ZrO₂）在潮湿口腔环境中易发生t→m（单斜相）相变，导致微裂纹和表面粗糙化，进而影响植入体寿命。传统钇稳定氧化锆（YSZ）虽通过3D打印技术（如光固化成型，Vat Photopolymerization）实现个性化制造，但LTD问题仍未解决。

研究目标是通过CeO₂-Y₂O₃共稳定策略提升ZrO₂的LTD抗性，并利用光固化技术制备高力学性能的7Ce3Y-ZrO₂（7 mol% CeO₂ + 3 mol% Y₂O₃）陶瓷，优化其烧结工艺与性能。

研究流程

1. 浆料制备与光固化工艺优化

   • 原料：采用3YSZ（0.2–0.4 μm）、纳米CeO₂（50 nm）和Al₂O₃（300 nm）粉末，以HDDA（二丙烯酸酯）和TMP3EOTA（三丙烯酸酯）为光敏树脂，Solsperse 41000为分散剂。
     
   • 浆料配方：通过调整分散剂含量（2–5 wt%）和树脂比例（如H7T3为HDDA:TMP3EOTA=7:3），优化流变性和固化深度。紫外吸收测试显示CeO₂对405 nm波长光吸收最强，需加入Al₂O₃降低光散射。
     
   • 光固化参数：在400 mJ/cm²曝光能量下，H7T3树脂体系实现63.5 μm单层固化深度，满足打印需求。
     

2. 生坯打印与脱脂烧结

   • 打印设备：采用DLP（Digital Light Processing）技术，层厚25 μm。
     
   • 脱脂工艺：通过TG-DSC（热重-差示扫描量热）分析确定升温曲线，避免开裂。
     
   • 烧结温度优化：在1450–1600℃范围内烧结3小时，1550℃时相对密度达97.84%。
     

3. 性能表征与LTD测试

   • 力学性能：三点弯曲测试显示1550℃烧结样品抗弯强度为503.1 MPa。
     
   • 相组成分析：XRD（X射线衍射）证实无m-ZrO₂相生成，Ce³⁺/⁴⁺抑制氧空位形成，阻断老化路径。
     
   • LTD加速实验：134℃水蒸气环境下老化5–10小时，力学性能无衰减，无t→m相变。
     

主要结果
1. 浆料性能：5 wt%分散剂使浆料粘度降至0.18 Pa·s（剪切速率30 s⁻¹），H7T3树脂体系在400 mJ/cm²下固化深度最佳。
2. 微观结构：1550℃烧结样品晶粒尺寸均匀（1–2 μm），EDS（能谱分析）显示Zr、Ce、Y元素分布均匀。
3. LTD抗性：CeO₂的等电子掺杂有效阻止氧空位生成，XRD未检测到单斜相，抗弯强度老化前后保持稳定（~500 MPa）。

结论与价值
本研究通过光固化技术成功制备了7Ce3Y-ZrO₂陶瓷，其高密度（97.84%）和高强度（503.1 MPa）满足口腔修复要求，且LTD抗性显著优于传统YSZ。科学价值在于揭示了Ce³⁺/⁴⁺抑制氧空位的机制，应用价值为口腔修复陶瓷的3D打印提供了新方案。

研究亮点
1. 方法创新：首次将CeO₂-Y₂O₃共稳定策略与光固化技术结合，解决CeO₂紫外吸收难题。
2. 性能突破：1550℃烧结样品的力学性能与LTD抗性均优于文献报道的Ce-TZP材料。
3. 跨学科意义：为生物陶瓷的增材制造提供了从浆料设计到性能优化的完整技术链。

其他价值
研究团队开发的浆料稳定性测试方法（10天沉降实验）和脱脂工艺可为其他光固化陶瓷提供参考。