本文将对Yongan Chen, Jinlin Tan, Jinxing Sun, Hongshan Guo, Jiaming Bai, Peng Zhou*, Dongyang Zhang, Gang Liu*等研究人员发表在*Ceramics International*期刊2024年第50卷上的研究进行详细介绍。该研究围绕增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术制备氧化锆（ZrO₂）陶瓷过程中的关键工艺参数——烧结温度展开深入探究，系统性地揭示了烧结温度对陶瓷微观结构和机械性能的影响规律，并成功确定了优化工艺窗口。
第一，研究作者与发表信息
本项研究由来自武汉工程大学材料科学与工程学院（湖北省等离子体化学与先进材料重点实验室）、深圳职业技术学院智能制造技术研究院、深圳大学机电与控制工程学院机械电子工程系、南方科技大学工学院以及深圳职业技术学院霍夫曼先进材料研究院、集成电路关键材料研究所等多个机构的科研人员共同完成。通讯作者为Peng Zhou, Dongyang Zhang和Gang Liu。研究成果以题为“Effect of sintering temperature on the microstructures and mechanical properties of ZrO₂ ceramics fabricated by additive manufacturing”的论文形式，发表于材料科学领域知名期刊 *Ceramics International*（2024年，第50卷，第11392-11399页）。论文于2023年11月7日收到，2024年1月2日被接受，并于2024年1月3日在线发布。
第二，学术背景与研究目的
氧化锆（ZrO₂），特别是钇稳定氧化锆（3Y-TZP），因其卓越的机械性能（如高强度、高韧性）和良好的生物相容性，在工业、制造和生物医学等领域有广泛应用。然而，传统方法制备具有复杂几何形状的氧化锆陶瓷通常流程繁琐、周期长且后加工成本高昂。增材制造，特别是基于光聚合的3D打印技术，如数字光处理（Digital Light Processing, DLP），为高效、高精度制造复杂结构先进陶瓷提供了突破性解决方案。DLP技术能够通过紫外光逐层固化光敏陶瓷浆料，从而获得高分辨率、优异表面质量和快速成型的陶瓷生坯。
尽管在陶瓷浆料制备和打印参数优化方面已有大量研究，但对于DLP成型陶瓷后处理过程中的关键环节——脱脂和烧结——尤其是烧结温度的深入研究尚不充分。陶瓷生坯含有大量有机成分，需要精确的脱脂工艺以避免缺陷。烧结温度则直接决定着烧结体内晶粒的形成、晶界的演变，进而对陶瓷的致密度、微观结构和综合性能（如弯曲强度、断裂韧性）产生决定性影响。因此，对烧结温度进行精细控制和优化，是获得理想微观结构和优异机械性能的最终3D打印陶瓷部件的关键。
本研究旨在系统研究烧结温度对DLP技术3D打印制备的氧化锆陶瓷性能的影响。研究团队首先对氧化锆粉末进行表面改性，以制备具有高固含量（48 vol%）和低粘度、高稳定性的光敏浆料。随后，通过优化后的DLP工艺打印陶瓷生坯，并系统研究在不同烧结温度（1400°C， 1440°C， 1480°C， 1520°C）下，陶瓷的微观结构演变、相组成变化及机械性能（相对密度、弯曲强度、维氏硬度、断裂韧性）之间的关联。本研究预期将为理解DLP打印3Y-TZP陶瓷的烧结温度-微观结构-性能关系提供基础性认识，并为实际应用提供工艺指导。
第三，详细研究流程与方法
本研究遵循了一套完整且严谨的流程，涵盖了原材料准备、浆料制备、生坯制造、脱脂烧结以及全面的表征测试。
1. 材料与浆料制备： 研究选用3 mol% 氧化钇稳定氧化锆（3Y-TZP）粉末作为陶瓷原料。为实现高固含量下的低粘度浆料，研究首先对3Y-TZP粉末进行了表面改性。使用KOS110作为分散剂，通过机械搅拌和球磨，使其均匀包覆在ZrO₂颗粒表面，形成稳定的保护层，从而防止颗粒团聚，提升浆料的长期稳定性和流变性。随后，将改性后的粉末与光敏树脂单体（HDDA与TMPTA按4：1体积比混合）、光引发剂TPO（占树脂单体质量的1 wt%）进行混合，并在行星式球磨机中以300 rpm转速球磨3小时，最终获得均匀、稳定的光敏3Y-TZP陶瓷浆料，其固含量高达48 vol%。
2. 立体光刻增材制造（生坯成型）： 陶瓷生坯的制造采用基于DLP技术的3D打印机（DLP800D）。打印参数基于团队先前研究进行优化设定：打印层厚为30 μm，紫外光强为70 mW/cm²，单层曝光时间为4.5秒，打印过程温度恒定为30°C。此过程利用紫外投影仪逐层固化浆料，最终获得复杂形状的3Y-TZP陶瓷生坯。
3. 脱脂与烧结工艺优化： 这是本研究重点优化的核心工艺环节。 * 脱脂工艺优化：为避免生坯在后续高温烧结中因有机物快速分解而产生裂纹、起泡等缺陷，研究首先通过热重-差热分析（TGA-DTA）对生坯的热分解行为进行了分析。TGA曲线显示了三个主要的质量损失阶段：室温至200°C（损失0.8%，低分子量齐聚物蒸发）；200-450°C（损失16.9%，峰值412.4°C，聚合物主体分解）；450-550°C（损失1.6%，峰值523.8°C，残留物分解）。基于此，研究团队制定了精细的阶梯式脱脂程序：在氩气气氛下，以1°C/min的缓慢升温速率，并在120°C， 300°C， 350°C， 380°C， 400°C， 420°C， 500°C和550°C分别保温1小时。该程序旨在远离主要放热峰（412.4°C）的温度点给予充足时间以平缓移除有机物，从而获得无缺陷的素坯。 * 烧结温度研究：脱脂后的素坯在空气气氛的马弗炉中进行最终烧结。研究设定了四个不同的烧结温度：1400°C， 1440°C， 1480°C和1520°C，保温时间均为2小时，以探究温度对性能的影响。
4. 表征与性能测试： 对烧结后的陶瓷样品进行了全面的表征。 * 微观结构分析：使用扫描电子显微镜（SEM）观察了粉末改性前后的形貌、生坯表面形貌以及不同温度烧结后陶瓷样品的断口形貌。利用ImageJ软件结合高斯拟合对SEM图像中的晶粒尺寸进行了统计分析。 * 物相分析：通过X射线衍射（XRD）分析了生坯及不同温度烧结后样品的晶体相组成。 * 密度测试：采用阿基米德排水法（遵循ASTM C373标准）测量了烧结样品的相对密度。 * 机械性能测试： * 三点弯曲强度：在万能试验机上按照ASTM C1161-13标准进行测试，跨距为40 mm，加载速率为0.5 mm/min。 * 维氏硬度与断裂韧性：使用维氏硬度计，在抛光后的样品表面施加98 N载荷并保持10秒。通过测量压痕对角线长度和压痕角部产生的裂纹长度（Palmqvist裂纹），分别利用公式计算维氏硬度（HV）和断裂韧性（K_IC）。 * 化学分析：采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析了原始粉末、改性粉末及分散剂的化学官能团，以验证表面改性的成功。
第四，主要研究结果与分析
研究结果清晰地揭示了烧结温度对3Y-TZP陶瓷微观结构和各项性能的系统性影响。
1. 粉末改性效果与生坯质量： FT-IR光谱证实，经KOS110分散剂处理后，改性粉末上出现了分散剂的特征吸收峰，表明分散剂成功包覆在ZrO₂颗粒表面。这有效改善了粉末在树脂中的分散性，为制备高固含量、低粘度的稳定浆料奠定了基础。SEM图像显示，DLP打印出的陶瓷生坯表面致密均匀，3Y-TZP颗粒被很好地包裹在树脂中且分布均匀，证明了浆料的高质量和打印工艺的稳定性。
2. 烧结温度对微观结构的影响： SEM断口形貌分析（图5）是揭示温度影响机制的关键。 * 1400°C和1440°C：烧结温度较低，样品晶粒尺寸较小（平均尺寸分别为0.286 μm和0.378 μm）。断口中可见大量因脱脂过程产生的、残留在晶界处的孔隙（图中黄色箭头所示）。这表明在此温度下，材料致密化过程不完全。 * 1480°C：此为优化的烧结温度。样品呈现出高度均匀的微观结构，晶粒生长适度（平均尺寸0.409 μm），孔隙显著减少，几乎观察不到明显的孔洞或裂纹，达到了很高的致密化程度。 * 1520°C：温度过高导致晶粒异常长大，平均尺寸增至0.482 μm。更关键的是，在SEM图中观察到了明显的层间界面（蓝色虚线所示）。过高的温度导致晶界原子扩散不充分，引发了异常晶粒生长，破坏了结构的均匀性。晶粒尺寸分布图（图6）进一步显示，1480°C和1520°C烧结的样品晶粒尺寸更接近正态分布，但1520°C下的异常长大对性能不利。
3. 烧结温度对物相组成的影响： XRD图谱（图8）显示，生坯中氧化锆主要以单斜相（m相）为主，含有少量四方相（t相）。随着烧结温度从1400°C升高至1480°C，代表四方相的特征峰（如2θ=30°， 50-51°， 59-61°）强度逐渐增强，而单斜相峰消失。这表明较高的烧结温度促进了四方相的形成，并且由于原料中添加了3 mol%的Y₂O₃作为稳定剂，高温形成的四方相在冷却至室温后得以保留（即相变增韧机制所需的亚稳四方相）。然而，当温度进一步升至1520°C时，立方相含量似乎减少，这可能是异常晶粒生长导致四方相稳定性下降所致。
4. 烧结温度对机械性能和物理特性的影响： * 相对密度与弯曲强度：如图9a所示，随着烧结温度升高，陶瓷的相对密度和三点弯曲强度均呈现先升高后降低的趋势。在1480°C时达到最优值：相对密度高达99.5 ± 0.1%，弯曲强度达到821 ± 65 MPa。这与微观结构观察结果完全吻合：1480°C下致密均匀的微观结构赋予了材料最高的强度和密度。温度过低（1400， 1440°C）则因残留孔隙多而性能较差；温度过高（1520°C）则因异常晶粒生长和层间界面等缺陷导致强度大幅下降至458 ± 71 MPa。 * 收缩率：图9b显示，样品在X， Y， Z三个方向的收缩率随烧结温度升高而增加，且在1480°C时各向同性最好，收缩率均匀，约为22.54 ± 0.37%。这得益于高固含量浆料带来的均匀性。 * 硬度与断裂韧性：维氏硬度测试和压痕裂纹分析表明（图10， 表1），在1480°C烧结的样品获得了最佳的综合机械性能：维氏硬度为11.73 ± 0.23 GPa，断裂韧性为4.37 ± 0.22 MPa·m¹/²。高硬度和高韧性同样归因于该温度下获得的高致密度和细化的晶粒结构。
第五，研究结论与价值
本研究成功通过DLP基3D打印技术制备了高性能的3Y-TZP陶瓷部件。通过系统研究，得出以下核心结论： 1. 最优工艺窗口：对于本研究采用的浆料体系和打印工艺，1480°C是获得最佳综合性能的优化烧结温度。 2. 性能达成：在该温度下烧结的氧化锆陶瓷，实现了接近完全致密（相对密度99.5%），并表现出优异的机械性能：弯曲强度821 ± 65 MPa，维氏硬度11.73 ± 0.23 GPa，断裂韧性4.37 ± 0.22 MPa·m¹/²。 3. 影响机制：烧结温度通过控制晶粒生长和致密化过程，直接影响陶瓷的微观结构。适中的温度（1480°C）促使材料充分致密化并形成均匀细晶结构，这是高性能的根源。温度过低则致密化不足，残留孔隙多；温度过高则引发晶粒异常长大并产生结构缺陷，均会导致性能恶化。 4. 工艺链验证：研究验证了从粉末表面改性→高固含量、低粘度浆料制备→DLP精密打印→阶梯式缓慢脱脂→优化温度烧结这一完整工艺链的有效性。
本研究的科学价值在于，首次系统性地揭示了在DLP成型氧化锆陶瓷的特定工艺体系中，烧结温度与微观结构演变（晶粒尺寸、孔隙率、均匀性）、相组成转变以及最终机械性能之间的定量和定性关系，深化了对该增材制造工艺后处理关键环节的科学理解。其应用价值则在于为实际生产提供了明确的工艺指导：精确控制烧结温度是确保DLP打印氧化锆陶瓷部件达到理想性能的关键，1480°C的优化温度可作为同类工艺的重要参考，从而推动高性能、复杂结构氧化锆陶瓷件的可靠制造与应用。
第六，研究亮点
第七，其他有价值内容