类型a：学术研究报告

作者及机构
本研究的通讯作者为Tingting Xu（徐婷婷）和Wei Wang（王伟），来自中国工程物理研究院材料研究所（Institute of Materials, China Academy of Engineering Physics, Mianyang, China）。该研究发表于期刊*Ceramics International*（2025年，第51卷，第13469–13477页）。

学术背景
本研究属于陶瓷增材制造（Additive Manufacturing, AM）领域，聚焦于氧化锆（zirconia）陶瓷的直接墨水书写（Direct Ink Writing, DIW）技术。氧化锆（尤其是3 mol% Y₂O₃稳定的氧化锆，即3YSZ）因其优异的机械性能，广泛应用于制造、化工和生物医学领域。然而，传统制造技术（如冷等静压、热压和注塑成型）难以制备复杂几何形状的陶瓷部件，而增材制造技术（如DIW）提供了解决方案。

尽管DIW技术已能制备高密度（相对密度>98%）的氧化锆陶瓷，但其力学性能和表面形貌仍受填充策略（filling strategy）的显著影响。本研究旨在探究喷嘴直径（nozzle diameter）和打印方向（printing direction）对烧结收缩、表面粗糙度（surface roughness）和弯曲强度（flexural strength）的影响，以优化DIW工艺参数，提升陶瓷性能。

研究流程

1. 氧化锆墨水的制备

   • 原料：商用3YSZ粉末（平均粒径0.39 μm）、聚乙烯醇（PVA）作为粘结剂、聚丙烯酸（PAA）作为分散剂、聚乙烯亚胺（PEI）作为絮凝剂。
     
   • 制备方法：将3YSZ粉末逐步分散于PVA水溶液中，加入PAA和PEI，通过静电作用形成稳定的悬浮液。最终墨水的固含量为70 wt%，平均粒径增至0.51 μm（因PAA-PEI多层吸附）。
     

2. DIW打印与烧结

   • 打印设备：采用三轴龙门式DIW系统（GLM-G-221），喷嘴直径分别为0.33 mm、0.51 mm和0.84 mm，打印速度为30 mm/s。
     
   • 填充策略：分为三组：
     
     • AA组：所有层沿长轴方向平行打印。
       
     • BB组：所有层沿短轴方向平行打印。
       
     • AB组：交替层以90°旋转打印。
       
   • 烧结工艺：先以1.5 °C/min升温至600 °C去除有机物，再以2 °C/min升至1580 °C保温2小时，最终相对密度>98%。
     

3. 表征与测试

   • 微观结构：通过扫描电镜（SEM）观察断裂面，测量晶粒尺寸（平均0.96 μm）。
     
   • 表面形貌：使用光学显微镜和表面轮廓仪测量表面粗糙度（Rz和Ra）。
     
   • 力学性能：三点弯曲测试（GB/T 6569-2006标准）评估弯曲强度，并结合有限元分析（FEA）模拟应力分布。
     

主要结果

1. 表面粗糙度

   • 喷嘴直径的影响：0.33 mm喷嘴打印的样品表面粗糙度最低（Rz=17 μm），而0.84 mm喷嘴的样品粗糙度显著增加。
     
   • 打印方向的影响：BB组（短路径打印）的粗糙度低于AA组，因短路径打印减少了相邻丝间的间隙。
     

2. 弯曲强度

   • 喷嘴直径的影响：0.5 mm喷嘴的样品强度最高（973 MPa），0.33 mm喷嘴因界面缺陷增多导致强度降低。
     
   • 打印方向的影响：AA组（长路径打印）的强度最高，BB组因短路径打印引入更多孔隙而强度最低。FEA模拟显示，长路径打印的孔隙分布更均匀，应力集中更小。
     

3. 断裂行为

   • AA组样品呈现阶梯状断裂面，裂纹扩展路径更长，贡献了更高的断裂韧性；BB组则因孔隙聚集导致早期断裂。
     

结论与意义
1. 优化策略：
- 表面质量：使用小直径喷嘴（0.33 mm）和短路径打印（BB策略）可显著降低粗糙度。
- 力学性能：采用中等喷嘴直径（0.5 mm）和长路径打印（AA策略）可获得最高弯曲强度（973 MPa），接近传统方法制备的氧化锆陶瓷。

1. 科学价值：

   • 首次系统研究了DIW中填充策略对氧化锆陶瓷性能的影响，为复杂结构陶瓷的增材制造提供了工艺优化依据。
     
   • 揭示了打印方向对孔隙分布和应力集中的作用机制，为其他陶瓷材料的DIW工艺设计提供了参考。
     

2. 应用价值：

   • 无需后处理即可获得低粗糙度（Ra=6.8 μm）的侧表面，减少了抛光成本，适用于牙科修复体等精密部件制造。
     

研究亮点
1. 创新方法：结合FEA模拟与实验验证，明确了孔隙分布对力学性能的影响机制。
2. 工艺优化：提出了“中等喷嘴直径+长路径打印”的最佳组合，平衡了表面质量与强度。
3. 跨学科意义：为多材料DIW和高性能陶瓷的增材制造提供了技术支撑。

其他发现
- 侧表面粗糙度（Ra）低于上表面，颠覆了传统光固化（SLA/DLP）技术中侧表面粗糙度较高的认知，凸显DIW在层间融合方面的优势。
- 烧结收缩的各向异性与打印路径长度相关，短路径打印（BB组）的收缩率更高。