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作者及机构
本研究由意大利都灵理工大学（Politecnico di Torino）应用科学与技术系的Bartolomeo Coppola、Elisa Fiume、Vanessa Terranova、Laura Montanaro和Paola Palmero合作完成，发表于《Journal of the European Ceramic Society》2025年第45卷，文章编号117512。

学术背景
本研究聚焦于氧化铈稳定氧化锆（ceria-stabilized zirconia, Ce-TZP）的数字光处理（digital light processing, DLP）3D打印技术，属于先进陶瓷材料与增材制造交叉领域。氧化锆因其优异的力学性能和生物相容性，广泛应用于牙科植入物和航空航天领域，但其低温降解（low temperature degradation, LTD）问题限制了长期稳定性。氧化铈作为稳定剂可减少氧空位生成，但传统Ce-TZP陶瓷的弯曲强度较低，需通过微观结构优化提升性能。
研究目标包括：
1. 探究粉末预处理（球磨和热处理）对DLP打印浆料性能的影响；
2. 分析预处理对烧结材料密度、微观结构和力学性能的作用机制；
3. 开发高强Ce-TZP陶瓷的DLP成型工艺。

研究流程
1. 粉末预处理与表征
- 研究对象：商用10 mol%和12 mol% Ce-TZP粉末（1:1混合），分为未球磨（Cez-UM）、球磨（Cez-BM）及球磨后600℃热处理（Cez-BM-600）三组。
- 实验方法：
- 球磨48小时，激光粒度仪监测粒径分布；
- X射线衍射（XRD）分析相组成，FT-IR和XPS表征表面化学状态；
- TEM观察颗粒形貌，BET法测定比表面积。
- 关键发现：球磨导致四方相向单斜相转变（单斜相含量从55.4%增至84.2%），并引入氧空位；热处理可恢复四方相含量（降至32.1%）和铈的氧化态。

1. 浆料制备与打印优化

   • 浆料配方：固定固含量41 vol%，分散剂用量2-3 wt%。
     
   • 流变学测试：剪切速率0.1–1000 s⁻¹范围内，Cez-BM-600浆料在120 s⁻¹（打印剪切速率）下粘度最低（1.2 Pa·s）。
     
   • 光固化行为：Cez-BM-600因表面羟基减少，紫外吸收降低，固化深度（25 μm）所需能量（300 mJ/cm²）仅为未处理组（650 mJ/cm²）的一半。
     

2. 打印与后处理

   • DLP参数：405 nm紫外光，单层厚度15 μm，曝光能量优化后打印无缺陷样品。
     
   • 脱脂与烧结：水脱脂后，Cez-BM-600样品无分层；热脱脂后采用1350–1500℃烧结，膨胀仪监测收缩行为。
     

3. 性能表征

   • 微观结构：1350℃烧结0.5小时的Cez-BM-600样品晶粒尺寸最小（600 nm），单斜相含量最低（13 vol%）。
     
   • 力学性能：三点弯曲强度达561±15 MPa，优于传统Ce-TZP陶瓷（文献值约400-600 MPa）。
     

主要结果
1. 粉末预处理的影响：球磨细化颗粒至亚微米级（d50=0.2 μm），但引发相变；热处理可逆转相变并消除表面羟基，提升浆料光固化效率。
2. 打印缺陷控制：Cez-BM-600因固化均匀性高，打印样品无边缘缺陷或分层，而Cez-BM因过固化导致脱脂后分层。
3. 烧结优化：低温短时烧结（1350℃/0.5 h）抑制晶粒长大，获得高密度（97.3%）和低单斜相含量的平衡。

结论与价值
1. 科学价值：揭示了Ce-TZP粉末表面化学状态对DLP光固化行为的调控机制，提出“球磨-热处理”协同优化策略。
2. 应用价值：为复杂结构Ce-TZP陶瓷的DLP成型提供了工艺窗口，其强度（561 MPa）满足牙科植入物需求，且无需后加工。

研究亮点
1. 创新方法：首次将XPS和FT-IR用于DLP浆料粉末表面化学分析，关联羟基含量与固化深度。
2. 工艺突破：通过低温烧结实现亚微米晶粒（600 nm）和高强度组合，优于文献报道的HIP后处理样品（770 MPa）。
3. 跨学科意义：为氧化物陶瓷的增材制造提供了“粉末预处理-浆料设计-烧结匹配”全链条优化范例。

其他价值
研究数据表明，Ce-TZP的DLP打印可通过调控粉末特性替代传统等静压强化工艺，降低制造成本，未来可扩展至氧化锆基复合材料（如Ce-TZP/Al₂O₃）的复杂构件制备。