类型a：学术研究报告

作者及机构
本研究的通讯作者为上海交通大学机械与动力工程学院、机械系统与振动国家重点实验室的Xiang Li*，合作作者包括Jiangtao Zheng和Hang Zhang。研究论文《Effect of ternary particles size distribution on rheology of slurry and microstructure of DLP printed ZTA ceramic》发表于Elsevier旗下期刊《Materials Chemistry and Physics》2021年第269卷，论文在线发表于2021年5月23日。

学术背景
氧化锆增韧氧化铝陶瓷（Zirconia Toughened Alumina, ZTA）因其高硬度、高强度、优异的断裂韧性和良好的生物相容性，广泛应用于牙科修复、工业制造和生物医学植入体等领域。然而，传统陶瓷制备工艺难以制造复杂结构件，而基于数字光处理（Digital Light Processing, DLP）的3D打印技术为陶瓷部件的自由设计和快速成型提供了新途径。

本研究聚焦于DLP打印ZTA陶瓷的关键问题：浆料流变性能与微观结构的优化。陶瓷浆料的流变特性（如黏度）直接影响打印精度和烧结密度，而颗粒尺寸分布（Particle Size Distribution, PSD）是调控浆料流变性和最终陶瓷性能的核心因素。尽管二元颗粒体系的研究较多，但三元颗粒体系的堆积理论及其对浆料黏度和陶瓷性能的影响尚未充分探索。因此，本研究旨在：
1. 推导三元氧化铝颗粒的最优比例公式，以最小化浆料黏度；
2. 建立黏度与三元组分关系的拟合方程；
3. 探究ZrO2含量对ZTA陶瓷力学性能与微观结构的影响。

研究流程
1. 浆料制备与流变学测试
- 研究对象：采用三种粒径的Al2O3粉末（粗颗粒d50~2 μm、中颗粒d50~200 nm、细颗粒d50~50 nm）和纳米ZrO2粉末（d50~50 nm）。
- 浆料配方：以环氧丙烯酸酯（EA）为光敏树脂，添加分散剂KH560，固含量固定为50 vol%。分组实验包括：
- A组：优化粗/中颗粒比例（100/0至60/40）；
- B组：在最优粗/中比例下添加细颗粒（5–25 vol%）；
- C组：引入ZrO2（5–30 vol%）制备ZTA浆料。
- 测试方法：使用旋转流变仪（Kinexus）测量剪切速率1–200 s⁻¹下的黏度，验证理论计算的最小孔隙率与黏度关系。

1. 理论模型建立

   • 基于紧密堆积理论，推导三元颗粒的最优体积分数公式：
     [ \emptyset_{01} = \frac{1 - \varepsilon_1}{1 - \varepsilon_1 \varepsilon_2 \varepsilon3}, \quad \emptyset{02} = \frac{(1 - \varepsilon_2) \varepsilon_1}{1 - \varepsilon_1 \varepsilon_2 \varepsilon3}, \quad \emptyset{03} = \frac{(1 - \varepsilon_3) \varepsilon_1 \varepsilon_2}{1 - \varepsilon_1 \varepsilon_2 \varepsilon_3} ]
     其中(\varepsilon_1, \varepsilon_2, \varepsilon_3)分别为粗、中、细颗粒的孔隙率。
     
   • 结合Krieger-Leighton模型拟合相对黏度与最大固相分数的关系：
     [ \eta_r = (1 - \emptyset / \emptyset_m)^{-5.18 \emptyset_m} ]
     

2. DLP打印与烧结工艺

   • 打印参数：层厚50 μm，曝光时间3秒，使用3DCR-50陶瓷打印机。
     
   • 脱脂与烧结：通过热重分析（TGA）确定脱脂曲线（10°C/min至600°C），随后在1550°C烧结1.5小时。
     

3. 性能表征

   • 微观结构：扫描电镜（SEM）观察晶粒尺寸与孔隙分布，X射线衍射（XRD）分析相组成。
     
   • 力学性能：测试压缩强度（MTS试验机）、维氏硬度（Falcon 500）和断裂韧性（压痕法）。
     

主要结果
1. 浆料流变性能
- 最优三元比例为粗颗粒67.5 vol%、中颗粒22.5 vol%、细颗粒10 vol%，此时浆料黏度最低（17,590 mPa·s，剪切速率30 s⁻¹），孔隙率最小（32.64%）。
- 添加ZrO2后，浆料黏度随ZrO2含量增加而升高，但25 vol% ZrO2的ZTA陶瓷表现出最佳力学性能。

1. 陶瓷性能
   
   • 力学性能：含25 vol% ZrO2的ZTA陶瓷压缩强度达781±39 MPa，断裂韧性3.76±0.05 MPa·m¹/²，维氏硬度19.58±0.33 GPa，相对密度99.3%。
     
   • 微观结构：三元颗粒细化基体晶粒至4 μm，ZrO2均匀分布于Al2O3晶界，抑制裂纹扩展（图11e）。单一粒径样品则存在孔隙和晶粒不均匀（图11a）。
     

结论与价值
1. 科学价值：
- 提出三元颗粒紧密堆积的理论公式，为高固含量、低黏度浆料设计提供普适性模型。
- 揭示ZrO2通过晶界钉扎效应细化晶粒、提升韧性的机制。

1. 应用价值：
   
   • 优化DLP打印ZTA陶瓷的工艺参数，推动复杂结构陶瓷部件的产业化应用。
     
   • 为其他多相陶瓷体系的浆料开发提供方法论参考。
     

研究亮点
1. 首次将三元颗粒堆积理论应用于DLP陶瓷浆料设计，推导出定量比例公式。
2. 通过实验验证理论模型的准确性，黏度预测误差%。
3. 结合ZrO2增韧与颗粒分级优化，实现ZTA陶瓷力学性能的协同提升。

其他发现
- 烧结收缩率（<20%）与ZrO2含量呈正相关，为尺寸精度控制提供数据支持。
- 细颗粒Al2O3（10 vol%）可填补粗/中颗粒间隙，显著降低孔隙率（图6）。