研究报告：通过Vat Photopolymerization技术制备CeO2–Y2O3共稳定氧化锆陶瓷及其性能优化

一、研究团队与发表信息
本研究由Ren-zhong Zhang（华中科技大学材料科学与工程学院）、Yu-xuan Huang（华中科技大学生命科学与技术学院）等共同完成，通讯作者为Jia-min Wu。论文发表于《Ceramics International》期刊2024年第50卷，3月27日在线发布。

二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于先进陶瓷材料与增材制造交叉领域，聚焦牙科修复用氧化锆（ZrO2）生物陶瓷的性能优化。
研究背景：氧化锆因高强度、生物相容性广泛应用于牙科修复，但传统钇稳定氧化锆（YSZ）存在低温降解（Low-Temperature Degradation, LTD）问题，即在潮湿口腔环境中发生四方相（t-ZrO2）向单斜相（m-ZrO2）的转变，导致微裂纹和力学性能下降。
研究目标：通过Vat Photopolymerization（光聚合增材制造技术）制备7 mol% CeO2和3 mol% Y2O3共稳定的ZrO2（7Ce3Y–ZrO2），优化其抗LTD性能与力学性能，推动个性化牙科修复应用。

三、研究流程与方法
1. 材料制备
- 原料：采用3YSZ（0.4–0.2 μm）、纳米CeO2（50 nm）和Al2O3（300 nm）粉末，通过球磨和筛分预处理。
- 浆料配方：以40 vol%固含量配制光固化浆料，包含两种光敏树脂（HDDA与TMP3EOTA）、分散剂（Solsperse 41000）和光引发剂（TPO）。通过调整树脂比例（如H7T3为HDDA:TMP3EOTA=7:3）和分散剂含量（2–5 wt%）优化流变性与固化深度。

1. 光固化3D打印

   • 设备与参数：采用DLP（Digital Light Processing）打印机（Autocrea-M），单层厚度25 μm，曝光能量400 mJ/cm²时固化深度达63.5 μm，满足打印需求。
     

2. 脱脂与烧结

   • 脱脂工艺：基于TG-DSC曲线设计阶梯式升温程序，去除光敏树脂。
     
   • 烧结优化：在1450–1600°C范围内烧结3小时，1550°C时获得最佳性能。
     

3. 性能表征

   • 力学测试：三点弯曲强度测试（Zwick/Roell AG-100kN），跨距24 mm，速度0.3 mm/s。
     
   • 抗LTD测试：134°C、0.2 MPa水蒸气环境中加速老化5–10小时，模拟体内1–2年老化。
     
   • 微观分析：SEM观察晶粒形貌，EDS分析元素分布，XRD鉴定物相组成。
     

四、主要研究结果
1. 浆料性能优化
- 分散剂含量5 wt%时浆料黏度最低（0.18 Pa·s，剪切速率30 s⁻¹），稳定性满足打印需求（10天内无明显沉降）。
- H7T3树脂体系（HDDA:TMP3EOTA=7:3）在400 mJ/cm²曝光下固化深度达63.5 μm，兼顾光敏性与低粘度。

1. 烧结与微观结构

   • 1550°C烧结后，陶瓷相对密度达97.84%，晶粒尺寸均匀（1–2 μm），无过量孔隙；1600°C时晶粒粗化（3–4 μm）导致力学性能下降。
     
   • EDS显示Zr、Ce、Y元素分布均匀，XRD证实Ce³⁺/Y³⁺共掺杂抑制了氧空位形成，避免了t→m相变。
     

2. 力学与抗LTD性能

   • 1550°C烧结样品弯曲强度达503.1 MPa，优于传统YSZ陶瓷。
     
   • 加速老化10小时后，强度保持501.4 MPa，XRD未检测到m-ZrO2相，证实CeO2掺杂有效阻断LTD路径。
     

五、研究结论与价值
1. 科学价值：
- 揭示了Ce³⁺/Y³⁺共掺杂通过抑制氧空位提升ZrO2抗LTD性能的机制。
- 提出光固化浆料中纳米CeO2与树脂配比的协同优化策略，为高吸光材料的光固化成型提供新思路。

1. 应用价值：
   
   • 通过Vat Photopolymerization实现高精度、个性化牙科修复体制造，力学性能与抗老化性能均满足临床需求。
     

六、研究亮点
1. 方法创新：首次将Vat Photopolymerization技术应用于CeO2–Y2O3共稳定ZrO2陶瓷制备，解决纳米CeO2紫外吸收导致的固化深度不足问题。
2. 性能突破：通过双稀土掺杂设计，兼顾高密度（>97%）与抗LTD性能，弯曲强度超500 MPa。
3. 跨学科意义：结合增材制造与陶瓷材料科学，为复杂结构生物陶瓷的工业化生产提供技术参考。

七、其他价值
研究团队开发了适用于高吸光陶瓷浆料的树脂体系（H7T3），其配方可推广至其他光固化难加工陶瓷材料（如Si3N4、Al2O3）。