类型a：学术研究报告

作者及机构
本研究的通讯作者为Qiang Hu（邮箱：huqiang1225@163.com），来自江西省科学院应用物理研究所（Institute of Applied Physics, Jiangxi Academy of Sciences）。其他作者包括Huoping Zhao、Ajin Wang等，主要来自华东交通大学材料科学与工程学院（School of Materials Science and Engineering, East China Jiao Tong University）。研究发表于期刊《Ceramics International》第48卷（2022年），页码33580–33587，在线发布于2022年8月7日。

学术背景
本研究属于陶瓷材料增材制造（Additive Manufacturing, AM）领域，聚焦于粘结剂喷射成型（Binder Jetting, BJ）技术。传统BJ技术虽能成型复杂结构陶瓷件，但存在生坯密度低、烧结收缩大、表面粗糙度高及力学性能不足等问题，限制了其工业应用。为解决这些问题，研究团队提出了一种创新方法：以纳米氧化锆（nanozirconia）分散液替代传统有机粘结剂（如聚乙烯醇PVA），通过纳米颗粒填充粉末层孔隙以提高生坯密度，从而改善烧结后陶瓷的尺寸精度、表面质量和力学性能。

研究流程与方法
1. 材料制备
- 原料：使用200–400目球形氧化锆粉末（平均粒径100 nm）作为基体材料；20 wt%纳米氧化锆水分散液（平均粒径30 nm）作为喷射溶液；添加2 wt%糊精（dextrin）作为粉末流动助剂。
- 分散液配制：将纳米氧化锆分散液与1 wt% PVA混合，制备纳米氧化锆含量分别为5%、10%、15%、20%的喷射溶液，并测试其密度（1.05–1.21 g/cm³）和粘度（1.98–2.68 mPa·s）。

1. 粘结剂喷射成型设备

   • 使用自主研发的设备（图1），配备压电式喷头（喷嘴直径20 μm，打印速度6000 mm²/s，分辨率5760×1440 dpi）。喷头对溶液的要求为粘度 mPa·s、表面张力<40 mN/m。
     

2. 成型与后处理

   • 打印参数：层厚0.1 mm，喷射体积为单层粉末孔隙体积（0.07 mL）。
     
   • 干燥与烧结：生坯在60°C干燥10小时，400°C脱脂1小时，随后在1400°C烧结2小时。
     

3. 表征与分析

   • 尺寸与密度：使用游标卡尺测量生坯和烧结体尺寸，阿基米德法测定烧结体密度。
     
   • 表面粗糙度：光学轮廓仪（Zegage™ Pro HR）测试表面形貌。
     
   • 力学性能：三点弯曲试验（MTS810）测试抗弯强度。
     
   • 微观结构：扫描电镜（Hitachi SU8000）观察颗粒分布与孔隙；X射线衍射（XRD）分析相组成。
     

主要结果
1. 生坯性能
- 随着纳米氧化锆含量从0%增至20%，生坯高度误差减小（5.88→5.94 mm），宽度和长度误差降低（8.21→8.08 mm；100.28→100.11 mm），表面粗糙度从15.43 μm降至9.78 μm（降幅36.62%）。
- 生坯密度从1.67 g/cm³提升至1.96 g/cm³（相对密度从27.99%增至32.68%）。SEM显示纳米颗粒填充了粉末层孔隙（图6），减少了颗粒间间隙。

1. 烧结体性能
   
   • 尺寸稳定性：烧结线性收缩率在高度、宽度、长度方向分别降低6.27%、10.20%、5.45%，平均收缩率从25.88%降至23.93%。
     
   • 表面质量：粗糙度从13.61 μm降至7.69 μm（降幅42.87%），光学形貌显示表面峰谷高度差显著减小（图9）。
     
   • 力学性能：抗弯强度从125 MPa提升至307 MPa（增幅145.6%），XRD表明纳米氧化锆促进了烧结致密化（图13）。
     

结论与价值
本研究通过纳米氧化锆分散液作为粘结剂，显著提高了粘结剂喷射成型氧化锆陶瓷的成型质量。其科学价值在于揭示了纳米颗粒填充对粉末层孔隙的调控机制，即高固含量分散液可减少喷射溶液的渗透距离，增加颗粒表面纳米层厚度，从而提升生坯密度和烧结性能。应用价值在于为复杂结构陶瓷件的快速制造提供了新方法，尤其适用于多相陶瓷的粘结剂喷射成型。

研究亮点
1. 创新方法：首次将高固含量纳米氧化锆分散液作为粘结剂，突破了传统有机粘结剂的性能局限。
2. 性能突破：烧结体密度提升至75.01%，抗弯强度提高145.6%，为BJ技术工业化应用提供了可行性。
3. 机理阐释：通过渗透时间公式（t = 8hη/ρgr²）和SEM分析，明确了纳米颗粒含量与孔隙填充的定量关系。

其他有价值内容
研究得到了中国国家自然科学基金（51805170）和江西省重点研发计划（20171ACE50018）的资助，设备为团队自主研发，体现了技术自主性。