这篇文档属于类型a，是一篇关于氧化铈稳定氧化锆（ceria-stabilized zirconia, Ce-TZP）材料通过数字光处理（digital light processing, DLP）技术制备的原创性研究论文。以下是针对该研究的学术报告：

作者与机构

本研究由Bartolomeo Coppola（通讯作者）、Elisa Fiume、Vanessa Terranova、Laura Montanaro和Paola Palmero合作完成，均来自意大利都灵理工大学（Politecnico di Torino）的应用科学与技术系。论文发表于Journal of the European Ceramic Society（2025年5月），标题为《Digital light processing of ceria-stabilized zirconia: role of powder pre-treatment on printability and physico-mechanical properties》。

学术背景

研究领域与动机

本研究属于先进陶瓷材料的增材制造领域，聚焦于DLP技术制备氧化铈稳定氧化锆（Ce-TZP）陶瓷的工艺优化。Ce-TZP因其优异的断裂韧性和抗低温降解（low temperature degradation, LTD）性能，在牙科植入物和航空航天领域具有应用潜力，但其弯曲强度（flexural strength）通常低于钇稳定氧化锆（Y-TZP）。研究团队旨在通过粉末预处理（如球磨和热处理）改善Ce-TZP浆料的打印性（printability），并优化烧结后材料的微观结构与力学性能。

科学问题

传统陶瓷加工中，粉末特性（如粒径、表面化学性质）对烧结体性能的影响已较明确，但在DLP等增材制造技术中，粉末特性对浆料光固化行为、打印缺陷及最终性能的影响尚未系统研究。此外，Ce-TZP中氧化铈（CeO₂）在紫外光波段的高吸收性会阻碍光聚合反应，需通过工艺调整克服。

研究流程与方法

1. 粉末预处理与表征

• 研究对象：商业Ce-TZP粉末（10 mol%和12 mol% CeO₂混合，1:1重量比），分为三组：
  
  • 未球磨组（Cez-UM）：直接分散于丙酮中干燥。
    
  • 球磨组（Cez-BM）：以氧化锆球介质球磨48小时，获得亚微米级颗粒。
    
  • 球磨后热处理组（Cez-BM-600）：球磨粉末在600°C下热处理1小时。
    
• 表征技术：
  
  • 激光粒度分析：显示球磨使粒径从3 μm降至0.2 μm，热处理未导致再团聚。
    
  • X射线衍射（XRD）：球磨引发四方相（tetragonal）向单斜相（monoclinic）转变（单斜相含量从55.4 vol%增至84.2 vol%），热处理可部分逆转（降至32.1 vol%）。
    
  • 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）与X射线光电子能谱（XPS）：球磨粉末表面羟基（OH⁻）和吸附水增多，热处理后显著减少；XPS证实球磨导致铈离子（Ce⁴⁺→Ce³⁺）还原，形成氧空位，热处理可恢复氧化态。
    

2. 浆料制备与打印优化

• 浆料配方：固定固含量41 vol%，分散剂（Disperbyk-103）用量优化（Cez-UM 2 wt%，Cez-BM/Cez-BM-600 3 wt%）。
  
• 流变学测试：所有浆料呈现剪切稀化行为，操作剪切速率（120 s⁻¹）下黏度均低于3 Pa·s，满足DLP打印要求。
  
• 光固化行为：
  
  • Cez-BM-600浆料因表面氧空位减少和Ce⁴⁺恢复，紫外光吸收降低，固化深度（curing depth）显著高于其他组（相同能量下25 μm vs. 15–20 μm）。
    
  • 棋盘格测试验证打印精度：Cez-BM-600在300 mJ/cm²下即可实现完整固化，而Cez-UM和Cez-BM需650 mJ/cm²，但后者因过度固化导致内部应力引发分层（delamination）。
    

3. 烧结与力学性能测试

• 烧结工艺：通过 dilatometry（热膨胀分析）确定最佳烧结温度（1350°C/0.5 h），兼顾密度（97.3%理论密度）、晶粒尺寸（0.6 μm）和单斜相含量（13 vol%）。
  
• 微观结构：扫描电镜（FESEM）显示Cez-BM-600烧结体晶粒细小且分布均匀，而Cez-UM晶粒粗大（1.8 μm）。
  
• 三点弯曲测试：Cez-BM-600的弯曲强度达561±15 MPa，显著高于Cez-UM（357±25 MPa）和Cez-BM（因分层未测试）。断裂模式分析表明，细晶粒材料以穿晶断裂为主，粗晶粒则以沿晶断裂为主。
  

主要结果与逻辑关联

1. 粉末预处理的影响：球磨细化颗粒但引发相变和氧空位，热处理恢复氧化态并改善光固化效率。
   
2. 浆料性能：Cez-BM-600因表面化学性质优化，需更低固化能量，减少打印缺陷。
   
3. 烧结与力学性能：低温短时烧结抑制晶粒生长和相变，最终材料兼具高密度与高强度。
   

结论与价值

1. 科学价值：阐明了Ce-TZP粉末表面特性（羟基、氧空位、Ce价态）对DLP光固化行为的调控机制，为陶瓷增材制造的粉末设计提供理论依据。
   
2. 应用价值：通过优化预处理工艺，实现了无缺陷、高强度的Ce-TZP陶瓷DLP成型，为其在牙科植入物等领域的应用奠定基础。
   

研究亮点

1. 创新方法：首次系统研究球磨和热处理对Ce-TZP粉末表面化学性质及DLP打印性的影响。
   
2. 关键发现：热处理可逆转球磨引发的Ce³⁺还原，降低紫外吸收，显著提升固化深度。
   
3. 性能突破：DLP成型的Ce-TZP弯曲强度（561 MPa）接近传统工艺水平（500–700 MPa），且无需后处理。
   

其他有价值内容

• 缺陷分析：通过FESEM和XPS揭示了分层根源（过度固化引发的残余应力）。
  
• 跨学科意义：将粉末冶金（ball-milling）与增材制造（DLP）结合，为高性能陶瓷的定制化制备提供新思路。
  

此研究为Ce-TZP陶瓷的增材制造提供了全流程优化方案，兼具学术深度与工业应用潜力。