纳米颗粒喷射成型氧化锆陶瓷的烧结温度对微观结构与抗弯强度影响研究
作者及机构
本研究的通讯作者为浙江工业大学机械工程学院的陈宏宇（Hongyu Chen）和杭州城市学院先进材料增材制造创新研究中心的齐欢（Huan Qi）。合作单位包括中石化宁波工程有限公司、苏州科技大学机械工程学院等。论文于2025年6月3日发表在期刊《Materials》（2025年第18卷，2605页），标题为《Effect of the Sintering Temperature on the Microstructure and Flexural Strength of ZrO2 Ceramics Produced by Nanoparticle Jetting》。
学术背景
氧化锆陶瓷（ZrO2）因其优异的机械性能（如约2000 MPa的抗压强度、5–10 MPa·m1/2的断裂韧性）和生物相容性，被广泛应用于航空航天、生物医学（如牙科修复体）等领域。增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术为复杂几何形状陶瓷的制备提供了新途径，其中纳米颗粒喷射（Nanoparticle Jetting, NPJ）技术凭借高精度（层厚5–10 μm）和低表面粗糙度（Ra 3 μm）成为新兴方法。然而，烧结工艺对最终性能具有决定性影响，而目前针对NPJ成型氧化锆陶瓷的烧结温度研究仍存在空白。本研究旨在探究烧结温度（800–1450°C）对NPJ成型氧化锆陶瓷的相组成、微观结构和抗弯强度的作用机制，为优化烧结工艺提供理论指导。
研究流程
1. 生坯制备与烧结
- 打印设备：采用XJet Carmel 1400 3D打印机，使用含40–45 wt.%氧化锆（3 mol%钇稳定）、53–58 wt.%乙二醇的浆料，支撑材料为可溶性碳酸钠基浆料。
- 打印参数：设计尺寸25×5×2.2 mm，层厚10 μm，打印后通过去离子水溶解支撑材料。
- 烧结程序：采用分阶段升温（5°C/min至250°C干燥，2°C/min至目标温度），分别在800°C、1000°C、1200°C、1400°C和1450°C下保温2小时，炉冷至室温。
2. 材料表征
- 相组成分析：X射线衍射仪（XRD, Bruker D8A A25 X）扫描10°–90°，通过Toraya公式计算单斜相（m-ZrO2）与四方相（t-ZrO2）含量。
- 微观结构观察：扫描电镜（SEM, Zeiss Gemini 360）分析表面与截面形貌，ImageJ统计晶粒尺寸与孔隙分布。
- 力学性能测试：三点弯曲法测定抗弯强度（跨距20 mm，加载速率0.5 mm/min），每组5个样本取平均值。
主要结果
1. 相组成演变
- 生坯含m-ZrO2（56.97%）和t-ZrO2（43.03%）。800°C时m-ZrO2含量降至10.34%，1000°C时完全转变为t-ZrO2。此现象归因于Y2O3掺杂降低了相变自由能垒，使m→t相变温度从1170°C降至1000°C以下。
2. 密度与微观结构
- 相对密度随温度呈S型增长：800°C时为55.0%，1200°C达92.9%（主要致密化阶段），1450°C达98.3%。
- 晶粒尺寸从800°C的89.35 nm增至1450°C的309.16 nm，1400°C后生长速率显著加快（图8f）。1200°C样品孔隙平均尺寸为101.7 nm（80–100 nm占比最高），1400°C后组织致密无显孔隙。
3. 抗弯强度
- 抗弯强度从800°C的9.3 MPa提升至1450°C的356.1 MPa，其中1000–1200°C区间增幅最大（36.8→271.9 MPa），占总增益的67.8%。强度提升主要受孔隙率下降（Hall-Petch效应）和晶界结合增强（最小固体面积理论）共同驱动。
结论与价值
- 科学价值：首次系统阐明NPJ成型氧化锆陶瓷的烧结温度-性能关系，揭示Y2O3掺杂对相变温度的调控机制。
- 应用指导：建议烧结温度选择1400–1450°C以平衡密度（>98%）与晶粒过度生长风险，为牙科修复体等精密陶瓷部件制造提供工艺窗口。
- 创新发现：发现m→t相变在1000°C即可完成，远低于纯ZrO2的1170°C；提出“孔隙率-晶粒尺寸协同主导强度”模型，突破传统单一因素分析局限。
研究亮点
- 方法创新：采用NPJ技术实现高精度氧化锆生坯成型，结合多温度点烧结对比，填补该领域研究空白。
- 数据全面性：涵盖相组成、密度、晶粒尺寸、孔隙分布、力学性能等多维度数据，建立完整的工艺-性能关联图谱。
- 工业意义：为NPJ技术规模化生产高性能陶瓷部件提供直接工艺参数支持，推动增材制造在精密陶瓷领域的应用。
其他发现
线性收缩率在X/Y/Z三方向均匀（图9b），表明NPJ成型过程各向异性可控，有利于复杂部件的尺寸精度保障。与文献对比显示，NPJ成型的相对密度（98.3%）虽略低于DLP技术（99.5%），但晶粒尺寸更小（213.73 nm vs. 240 nm），体现纳米颗粒原料的优势。