类型a：学术研究报告

作者及机构
本研究的通讯作者为Haidong Wu和Shanghua Wu，第一作者为Shengwu Huang。研究团队来自广东工业大学机电工程学院（School of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology），合作单位包括广东金属陶瓷3D技术有限公司（Guangdong Metal Ceramic 3D Technology Co., Ltd.）和云南贵金属实验室有限公司（Yunnan Precious Metal Laboratory Co., Ltd）。该研究发表于《Ceramics International》期刊，2024年8月16日在线发表。

学术背景
氧化锆（ZrO₂）陶瓷因其优异的韧性、耐磨性、高温稳定性和生物相容性，广泛应用于结构材料和功能材料领域，如研磨球、感应加热管、人工关节等。然而，传统成型工艺难以高效制备复杂结构，而增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术为复杂陶瓷结构的制造提供了新途径。其中，粘结剂喷射（Binder Jetting, BJ）技术因其低成本、低残余应力和高材料兼容性备受关注，但烧结后的高孔隙率限制了其机械性能。本研究旨在通过优化BJ工艺参数并结合玻璃渗透（Liquid Glass Infiltration）后处理，提高ZrO₂陶瓷的致密度和力学性能。

研究流程
1. 材料准备与BJ打印优化
- 材料：采用喷雾干燥法制备的球形3Y-TZP ZrO₂粉末（d50=63.1 μm），玻璃渗透剂为FD61玻璃粉（含SiO₂、Na₂O等）。
- BJ参数优化：研究层厚（100–300 μm）、粘结剂饱和度（7.85%–16.99%）、铺粉辊速度（5–25 mm/s）和打印布局对生坯尺寸精度、密度和抗弯强度的影响。通过激光粒度分析仪、SEM和XRD表征粉末特性。
- 关键发现：最优参数为层厚150 μm、饱和度16.99%（电压106 V）、辊速15 mm/s，且打印布局应使最大截面平行于喷嘴移动方向，以减少表面粗糙度。

1. 烧结与玻璃渗透

   • 烧结：生坯经180°C固化、600°C脱脂后，在1400–1550°C下烧结，相对密度仅为50.99%–54.27%。
     
   • 玻璃渗透：将玻璃粉压块置于烧结样品上，在800–1400°C下渗透。通过毛细作用（Capillarity）和粘性流动（Viscous Flow）填充孔隙。SEM和EDS显示，800°C渗透时玻璃与ZrO₂颗粒结合良好，无界面裂纹。
     

2. 性能表征

   • 密度与力学性能：阿基米德法测密度，三点弯曲试验测抗弯强度。结果显示，800°C渗透后相对密度提升至94.49%，抗弯强度达76.48±3.25 MPa，较未渗透样品提高40.22%（密度）和35倍（强度）。
     
   • 相分析：XRD表明，渗透温度低于1300°C时，部分Y₂O₃溶解导致ZrO₂发生四方相（t-ZrO₂）向单斜相（m-ZrO₂）转变；高于1350°C时玻璃蒸发，Y₂O₃重新析出，抑制相变。
     

主要结果
- BJ工艺优化：层厚150 μm和饱和度16.99%时，生坯密度达3.24 g/cm³，抗弯强度1.62 MPa，尺寸偏差率最低（x轴1.71%，z轴17.67%）。
- 玻璃渗透效应：800°C渗透效果最佳，致密度和强度显著提升。高温渗透（>1100°C）因玻璃蒸发导致缺陷增多。
- 微观结构：SEM显示渗透后玻璃均匀填充孔隙，EDS证实ZrO₂与玻璃界面无裂纹。

结论与价值
本研究通过BJ工艺优化和玻璃渗透协同策略，成功制备了高致密度（94.49%）和高强度（76.48 MPa）的ZrO₂陶瓷，解决了BJ技术烧结后孔隙率高的问题。其科学价值在于揭示了渗透温度对相变和致密化的影响机制；应用价值为复杂陶瓷结构（如多孔支架）的工业化生产提供了新思路。

研究亮点
1. 创新方法：首次将玻璃渗透应用于BJ打印的ZrO₂陶瓷，显著提升性能。
2. 工艺优化：系统量化了BJ参数对生坯质量的影响，提出最优组合。
3. 跨学科意义：结合增材制造与渗透后处理，拓展了陶瓷材料的工艺窗口。

其他价值
研究还展示了BJ技术制备复杂陶瓷结构的潜力（如多孔支架），并通过对比文献数据（表6），证实其性能优于同类BJ制备的ZrO₂陶瓷（如相对密度提升30%以上）。