这篇文档属于类型a，是一篇关于紫外光固化辅助直写成型技术（UV-curing assisted direct ink writing, DIW）制备高性能氧化锆基复合材料的原创研究论文。以下是针对该研究的学术报告：

作者及发表信息

本研究由Maoyin Li, Shuigen Huang, Evita Willems, Jeroen Soete, Masanao Inokoshi, Bart Van Meerbeek, Jef Vleugels, Fei Zhang合作完成，作者单位包括比利时鲁汶大学（KU Leuven）材料工程系、口腔健康科学系，以及东京医科齿科大学老年牙科与口腔修复学系。论文发表于Advanced Materials期刊，2024年36卷，文章编号2306764，在线发表日期为2023年12月5日。

学术背景

研究领域：本研究属于结构陶瓷的增材制造（Additive Manufacturing, AM）领域，聚焦于通过紫外光固化辅助直写成型技术（DIW）制备高致密、无裂纹且力学性能优异的氧化锆-氧化铝复合材料（Alumina-Toughened Zirconia, ATZ）。

研究动机：传统陶瓷制造工艺受限于几何复杂性，而现有增材制造技术（如光固化成型SLA）难以实现高固含量浆料的无缺陷成型，且干燥过程中易产生裂纹。此外，氧化锆（ZrO₂）因高折射率（2.24 @ 365 nm）导致紫外固化效率低，进一步增加了制造难度。

研究目标：开发一种结合DIW高固含量浆料挤出优势和紫外光固化快速成型特性的混合工艺，解决聚合应力导致的变形和裂纹问题，并通过氧化铝片晶（Al₂O₃ platelets）定向排列提升材料断裂韧性。

研究流程与方法

1. 浆料开发与优化

• 研究对象：51 vol%固含量的ATZ浆料（含3 wt%氧化铝片晶），以聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和1,6-己二醇二丙烯酸酯（HDDA）为光敏单体，添加非反应性稀释剂聚丙二醇（PPEG-400）。
  
• 关键创新：通过添加PPEG-400降低聚合收缩应力，减少打印过程中的翘曲和分层。PPEG-400的水溶性还便于后续脱脂过程中形成气体逸出通道。
  
• 实验方法：通过热重分析（TGA/DSC）验证脱脂温度曲线，离心去除浆料气泡，采用250 μm喷嘴挤出，层厚200 μm，紫外光（365 nm）逐层固化。
  

2. 打印与后处理

• 打印参数：挤出压力0.25 mbar，打印速度10 mm/s，紫外固化时间30秒/层。
  
• 脱脂与烧结：先水浴去除PPEG-400，再阶梯升温至500℃热脱脂，最后1500℃烧结2小时。对照组采用传统干压成型（225 MPa）与冷等静压（300 MPa）制备。
  

3. 材料表征与力学测试

• 微观结构：SEM观察氧化铝片晶定向排列；X射线断层扫描（XCT）分析缺陷分布（分辨率2.25 μm）。
  
• 力学性能：四点弯曲强度（4PB）、维氏硬度（HV）、单边缺口梁法（SEVNB）断裂韧性测试，对比DIW与传统成型样品的性能差异。
  
• 相分析：XRD测定烧结后单斜相ZrO₂含量，评估相变增韧效果。
  

主要结果

1. 浆料性能：添加33% PPEG-400的浆料固化深度达410 μm，显著降低内部应力（显微拉曼证实应力分布均匀化），而对照组（0% PPEG）因聚合梯度导致层间分层缺陷（XCT显示缺陷尺寸＞300 μm）。
   
2. 微观结构：DIW打印的ATZ中氧化铝片晶沿挤出方向定向排列（图3c元素映射证实），避免了传统干压工艺中的片晶桥接孔隙（图4a vs 4c）。
   
3. 力学性能：
   
   • 断裂韧性：DIW样品达7.4 ± 0.3 MPa·m⁰.⁵，高于干压样品（6.8 ± 0.3 MPa·m⁰.⁵），归因于片晶定向排列促进裂纹偏转（图4d）。
     
   • 四点弯曲强度：DIW样品为1009 ± 93 MPa，显著优于干压样品（861 ± 68 MPa），Weibull模量相近（15.1 vs 19.7），表明可靠性未因增材工艺降低。
     
4. 多层结构验证：成功打印0AP（无片晶）与3AP（含片晶）交替的层状复合材料，对称设计避免了烧结变形（图3a-b）。
   

结论与价值

科学价值：
- 提出了一种新型混合增材制造工艺，通过非反应性稀释剂调控聚合应力，实现了高折射率陶瓷的无缺陷成型。
- 首次证明DIW打印陶瓷的力学性能可超越传统成型工艺，为复杂几何结构陶瓷的定制化制造提供了新范式。

应用价值：
- 适用于牙科修复体、涡轮叶片、功能梯度材料等需兼顾高强高韧与复杂形状的领域。
- 工艺可扩展至其他陶瓷体系（如Al₂O₃、非氧化物陶瓷），支持多材料集成设计。

研究亮点

1. 工艺创新：紫外固化与DIW的协同设计，解决了高固含量浆料的快速成型与应力控制难题。
   
2. 性能突破：通过片晶定向排列，同时提升材料密度（98.4% TD）与断裂韧性，突破了增材陶瓷的强度-韧性权衡。
   
3. 多材料潜力：展示了层状复合结构的可行性，为功能梯度材料开发奠定基础。
   

其他有价值内容

• 缺陷控制：残留气泡（图4f）是未来优化方向，需平衡离心速度与浆料稳定性。
  
• 各向异性：需进一步研究Z轴与XY轴方向的力学性能差异及疲劳行为。
  

此研究为高性能结构陶瓷的增材制造提供了兼具科学严谨性与工程实用性的解决方案，推动了该领域从实验室走向工业应用的进程。