类型a：学术研究报告

作者及机构
本研究由Barbara Inserra、Bartolomeo Coppola、Laura Montanaro、Jean-Marc Tulliani及Paola Palmero（通讯作者）合作完成，团队成员来自意大利都灵理工大学（Politecnico di Torino）的应用科学与技术系（Department of Applied Science and Technology）的Lince实验室（INSTM R.U. Lince Laboratory）。研究发表于《Journal of the European Ceramic Society》第43卷（2023年），并于2022年8月18日在线发布。

学术背景
本研究属于先进陶瓷材料与增材制造（Additive Manufacturing, AM）交叉领域，聚焦于通过数字光处理（Digital Light Processing, DLP）立体光刻技术（Stereolithography, SLA）制备铈稳定氧化锆/氧化铝（Ce-ZrO₂/Al₂O₃）复合材料。

研究动机：
传统氧化锆（如钇稳定氧化锆，Y-ZrO₂）虽具有高强度和高断裂韧性，但易发生低温降解（Low-Temperature Degradation, LTD），即在潮湿环境中发生四方相向单斜相（t→m）的不可控转变，限制其在生物医学（如骨科和牙科植入物）中的应用。铈稳定氧化锆（Ce-ZrO₂）因在潮湿环境中的稳定性及优异的应力诱导相变增韧特性成为替代选择，但其力学性能需通过添加氧化铝（Al₂O₃）等第二相颗粒进一步提升。

研究目标：
1. 开发适用于DLP技术的Ce-ZrO₂/Al₂O₃浆料配方，优化固含量（Solid Loading）和分散剂（Dispersant）用量；
2. 通过烧结工艺获得高致密度、微观结构均匀的复合材料；
3. 验证材料的相稳定性和力学性能潜力。

研究流程与方法

1. 材料制备
- 原料：商用10 mol%和12 mol% CeO₂稳定的ZrO₂粉末（Daiichi Kigenso Kagaku Kogyo公司）、α-Al₂O₃粉末（TM-DAR Taimicron，Taimei Chemicals公司）及光固化树脂（Admatec Europe BV）。
- 浆料配制：将10Ce-ZrO₂与12Ce-ZrO₂按1:1混合，得到11 mol% CeO₂稳定的ZrO₂，再与16 vol% Al₂O₃复合（标记为Ce-ZA16）。粉末通过球磨（18小时，氧化锆球介质）分散于乙醇中，干燥后与光固化树脂混合，固含量范围为50–80 wt%，并测试添加分散剂（Disperbyk-103，1.0–4.0 wt%）的效果。

2. 流变学与光固化性能测试
- 流变行为：采用旋转流变仪（Kinexus Pro+）测试剪切速率（0.1–1000 s⁻¹）下的黏度，验证剪切稀化（Shear-Thinning）行为。
- 固化深度：通过UV光（405 nm波长）照射测试不同曝光时间下的固化厚度，确保层厚（20 μm）与打印参数（曝光时间12 s，LED功率31.96 mW/cm³）匹配。

3. DLP打印与后处理
- 打印参数：使用Admaflex 130打印机，层厚20 μm，延迟50 s以去除气泡。
- 脱脂与烧结：水脱脂24小时后，以慢速热脱脂（避免开裂）及烧结（1500–1550 °C/1 h，空气气氛），通过 dilatometry（热膨胀分析）监测收缩行为。

4. 表征与分析
- 密度：阿基米德法测定烧结密度。
- 微观结构：场发射扫描电镜（FE-SEM）观察抛光-热蚀刻样品，统计晶粒尺寸（Scandium软件分析300个晶粒）。
- 物相分析：X射线衍射（XRD）鉴定四方相（t-ZrO₂）与单斜相（m-ZrO₂）比例，采用Garvie-Nicholson方法计算单斜相体积分数（Vm）。

主要结果

1. 浆料优化
- 分散剂作用：添加1–4 wt% Disperbyk-103可将固含量提升至80 wt%，显著降低黏度（<5 Pa·s，剪切速率160 s⁻¹）。无分散剂时，最高固含量仅62.5 wt%，烧结密度较低（95.1% TD，1500 °C）。 - **固化深度**：固含量70–73 wt%时，固化深度>35 μm（曝光15 s），满足打印需求；80 wt%时因CeO₂的UV吸收效应，固化深度不足。

2. 烧结性能
- 致密度：78 wt%固含量浆料在1550 °C烧结后密度达99.4% TD（理论密度5.87 g/cm³），较无分散剂样品（97.6% TD）显著提升。
- 微观结构：FE-SEM显示Al₂O₃颗粒（~0.5 μm）均匀分布于ZrO₂基体（~1.1 μm），无缺陷（图6 vs 图11）。

3. 相稳定性
- XRD证实烧结后主要为t-ZrO₂相，断裂面Vm达78%，表明CeO₂含量（11 mol%）足以诱导应力诱导相变增韧。

结论与价值
1. 科学价值：首次通过DLP技术实现Ce-ZrO₂/Al₂O₃复合材料的高精度成型，揭示了分散剂对浆料流变性和烧结密度的关键影响。
2. 应用潜力：该材料兼具高密度（>99% TD）、均匀微观结构及相稳定性，适用于复杂几何形状的生物医学植入物（如定制化牙冠或关节假体）。
3. 方法创新：提出固含量70–78 wt%与分散剂1–3.5 wt%的优化配方，为光固化陶瓷浆料设计提供参考。

研究亮点
1. 浆料配方突破：通过分散剂调控，实现高固含量（80 wt%）与低黏度（ Pa·s）的平衡。
2. 缺陷控制：烧结后材料无层间分层或气泡，归因于优化的流变学与固化参数。
3. 跨学科融合：将DLP技术与陶瓷复合材料设计结合，推动增材制造在结构陶瓷领域的应用。

后续方向：需优化长尺寸样品的打印参数（如曝光时间）以解决弯曲导致的层间开裂问题，并探索其他溶剂脱脂工艺。

（注：全文约1500字，涵盖研究全流程及核心数据，符合学术报告要求。）