学术研究报告：通过冷等静压技术提升粘结剂喷射成型陶瓷的密度与微观结构完整性

一、研究团队与发表信息
本研究由广东工业大学机电工程学院的Shengwu Huang（第一作者）、Haidong Wu、Xiaoyu Fu、Xin Deng（兼广东金属陶瓷3D技术有限公司）及Shanghua Wu（通讯作者）共同完成，发表于期刊*Ceramics International*（2025年，第51卷，1183–1192页）。

二、学术背景与研究目标
氧化锆（ZrO₂）陶瓷因其高弯曲强度、断裂韧性、生物相容性等特性，广泛应用于切削工具、牙科材料等领域。然而，传统成型技术（如模具依赖法）难以制造复杂结构，且存在材料浪费问题。粘结剂喷射（Binder Jetting, BJ）作为一种增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术，虽能实现无支撑、低成本成型，但烧结后样品的高孔隙率限制了其性能。

本研究旨在通过引入冷等静压（Cold Isostatic Pressing, CIP）工艺，解决BJ技术中ZrO₂陶瓷密度低、力学性能不足的问题，探索CIP对烧结密度、微观结构和力学性能的影响机制，最终实现高性能复杂结构ZrO₂陶瓷的制备。

三、研究流程与方法
1. 材料准备与表征
- 原料：采用日本Tosoh公司的ZrO₂颗粒（TZ-3YS-E，D50=43 μm），其颗粒呈球形且由纳米级颗粒组成（图1）。
- 粘结剂分析：通过热重-差示扫描量热法（TG-DSC）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证粘结剂（环氧树脂基）的固化反应机制（图4）。
- 粉末特性：测量ZrO₂粉末的接触角（54.9°）、休止角（42.32°）、Hausner比（1.48）等参数，确认其适合BJ打印（图5，表1）。

1. BJ打印与CIP工艺设计

   • 打印参数：层厚100 μm，饱和度63.29%，打印后180℃固化2小时。
     
   • CIP方案：设计三种CIP流程（图2）：
     
     • #CIP1：打印后直接CIP（200 MPa，5分钟），再脱脂（真空+空气）。
       
     • #CIP2：在#CIP1基础上二次CIP修复缺陷。
       
     • #CIP3：先脱脂后CIP，避免脱脂缺陷（图6）。
       
   • 脱脂与烧结：采用两步脱脂（图3a-b）防止开裂，烧结温度范围为1400–1550℃（图3c）。
     

2. 性能测试与表征

   • 密度与收缩率：通过几何尺寸测量计算相对密度（表2），CIP-3工艺使生坯密度从21.16%提升至55.86%。
     
   • 微观结构：扫描电镜（SEM）显示，CIP处理后烧结样品孔隙率显著降低（图6a-d）。
     
   • 力学性能：三点弯曲测试（图10）、维氏硬度和断裂韧性分析。
     

四、主要研究结果
1. CIP工艺优化：
- #CIP3效果最佳：脱脂后CIP避免了脱脂缺陷，烧结后相对密度达98.75±0.19%，弯曲强度1047.80±88.45 MPa（1400℃），较未处理样品提升53.24%和100倍（图6e）。
- 缺陷控制：#CIP1和#CIP2因脱脂前CIP导致裂纹，而#CIP3无裂纹（图6c）。

1. 烧结温度影响：

   • 1400–1550℃范围内，相对密度稳定（97.79–98.75%），但晶粒尺寸从0.3054 μm增至0.5646 μm（图9），导致弯曲强度下降（图10b）。
     
   • 断裂韧性随温度升高（4.74→5.15 MPa·m¹/²），符合Hall-Petch关系（公式4-5）。
     

2. 复杂结构制备：通过CIP-3工艺成功制造高精度ZrO₂陶瓷结构（图11），其性能优于现有BJ技术文献数据（图12）。

五、结论与价值
本研究通过BJ与CIP的协同工艺，实现了ZrO₂陶瓷的高致密化（>98%）和优异力学性能（弯曲强度>1000 MPa），解决了传统BJ技术孔隙率高的问题。其科学价值在于揭示了CIP时序（脱脂前/后）对缺陷形成的影响机制；应用价值为复杂陶瓷部件（如牙科植入物、耐高温器件）的工业化生产提供了新方法。

六、研究亮点
1. 创新工艺：首次将CIP引入BJ技术制备ZrO₂陶瓷，提出脱脂后CIP的优化路径。
2. 性能突破：烧结密度和弯曲强度达到当前BJ技术最高水平（对比文献[15,16,42-44]）。
3. 多尺度分析：结合TG-DSC、FTIR、SEM等表征手段，系统性验证工艺-性能关系。

七、其他发现
- 晶相稳定性：XRD显示烧结后仅为四方相（t-ZrO₂），Y₂O₃稳定剂抑制了单斜相转变（图8）。
- 尺寸效应：CIP后生坯沿小尺寸方向（Y/Z轴）收缩率更高（表2），与压力分布相关。

（全文约2000字）