基于光固化成型技术制备高密度氧化钇稳定氧化锆陶瓷的研究报告

作者及发表信息
本研究的通讯作者为Pei-Chen Su，研究团队来自新加坡南洋理工大学（Nanyang Technological University）机械与航空航天工程学院及新加坡3D打印中心（Singapore Centre for 3D Printing）。研究成果发表于期刊《Ceramics International》2024年第50卷，论文标题为《Fabrication of dense YSZ ceramic via vat photopolymerization with low ceramic particles loading》，在线发布于2023年10月31日。

学术背景
氧化钇稳定氧化锆（YSZ, yttria stabilized zirconia）是一种高性能陶瓷材料，因其高强度、高温离子导电性和光学透明性被广泛应用于固体氧化物燃料电池（SOFC）、切削工具和牙科修复等领域。然而，传统陶瓷制备工艺（如干压成型）难以实现复杂几何形状的加工，而光固化成型技术（Vat Photopolymerization, VP）虽能通过3D打印实现高精度成型，但面临陶瓷颗粒负载量低、烧结后密度不足的挑战。本研究旨在通过优化浆料分散性和烧结工艺，解决VP技术制备YSZ陶瓷时的孔隙率问题，最终获得超致密陶瓷结构。

研究流程与方法
1. 浆料制备与分散优化
- 原料处理：将YSZ粉末（Sigma-Aldrich）与分散剂BYK-W 969（德国BYK-Gardner公司）以100:3的重量比混合于乙醇中，60℃搅拌24小时，离心后80℃烘干12小时，研磨30分钟以解团聚。
- 浆料配方：改性后的YSZ颗粒与光敏树脂（含PEGDA、HEA和光引发剂BAPO）以1:4重量比混合，磁力搅拌24小时。对照组使用未改性YSZ浆料。
- 分散性验证：通过沉降实验和流变测试（应力控制旋转流变仪MCR 302）对比两种浆料的稳定性与粘度。

1. 光固化成型与固化行为分析

   • 固化深度测试：使用Asiga Max DLP打印机（405 nm波长）测试浆料的固化性能，曝光能量10 mW/cm²，时间1-60秒。通过Jacobs方程计算穿透深度（Dp）和临界能量（Ec）。
     
   • 打印参数：层厚10 μm，光强10 mW/cm²，每层曝光50秒，打印后乙醇清洗去除未固化树脂。
     

2. 脱脂与烧结工艺

   • 脱脂过程：采用阶梯式升温（100℃、200℃、420℃、540℃各1小时，升温速率1℃/min），通过热重分析（TGA）确定有机物完全分解温度（570℃）。
     
   • 高压烧结：部分样品在20 kPa压力下烧结（1823 K，2小时，升温速率5℃/min），对比常压烧结效果。
     

3. 微观结构表征

   • FESEM观察：使用场发射扫描电镜（JEOL 7600F）分析断面形貌，ImageJ软件统计晶粒尺寸和孔隙分布。
     

主要结果
1. 分散剂对浆料性能的影响
- 改性YSZ浆料粘度降低，沉降速度减缓（图2），固化深度从160 μm提升至450 μm（图3a），Dp由27 μm增至90 μm（图3b），表明分散剂显著改善了颗粒均匀性。
- FESEM显示未改性浆料打印的样品存在层间边界（图5a-d），而改性浆料样品无此现象（图5e-h）。

1. 高压烧结对致密化的作用
   
   • 常压烧结样品的平均晶粒尺寸为6.61 μm²，孔隙面积0.086 μm²（表1）；高压烧结后晶粒增至7.97 μm²，且断面无孔隙（图5i-l），达到超致密状态。
     

结论与价值
本研究通过分散剂改性和高压烧结工艺，成功实现了VP技术制备无孔隙YSZ陶瓷的目标。其科学价值在于：
1. 工艺创新：首次将高压烧结（20 kPa）应用于VP成型陶瓷的后处理，显著降低孔隙率。
2. 应用潜力：为复杂结构高性能陶瓷（如SOFC电解质、透明陶瓷器件）的增材制造提供了可行方案。

研究亮点
1. 分散优化：通过BYK分散剂修饰YSZ表面羟基，解决了纳米颗粒团聚问题。
2. 工艺协同：分散剂与高压烧结的结合使陶瓷密度接近理论值，突破了VP技术制备致密陶瓷的瓶颈。
3. 微观验证：FESEM数据（图5-6）为致密化机制提供了直观证据。

其他发现
- 脱脂过程中的阶梯升温策略（基于TGA结果）有效减少了有机物热解导致的缺陷。
- 晶粒尺寸的增大（7.97 μm²）可能提升陶瓷的力学与功能性能（如离子电导率）。

本研究为陶瓷增材制造领域提供了重要的工艺参考，未来可扩展至其他氧化物陶瓷体系。