1引言

陶瓷是一種無機(jī)非金屬材料，因其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成，展現(xiàn)出優(yōu)異的物理性能，包括機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、化學(xué)抗性以及光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)特性。這些多功能特性使陶瓷在機(jī)械工程、化學(xué)工業(yè)、電子技術(shù)、航空航天和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用[1-2]。傳統(tǒng)陶瓷通常通過將陶瓷粉末與粘結(jié)劑混合，再經(jīng)注射成型、模壓成型、流延成型或凝膠注模等工藝制備。為提高胚體致密度，成型后的壞料通常需經(jīng)過高溫脫脂和燒結(jié)處理。然而，傳統(tǒng)工藝需先制作模具，經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本較高，尤其在加工復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的陶瓷零件時(shí)難以滿足特定要求。此外，陶瓷材料因其高硬度和脆性，在加工中存在諸多挑戰(zhàn)，如切削加工易導(dǎo)致刀具快速磨損，并可能引發(fā)樣件變形或開裂。對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的陶瓷零件，刀具干涉等硬件限制進(jìn)一步增加了加工難度。

在眾多打印技術(shù)中，光固化打印技術(shù)（Stereolithogra-phy，SL）憑借其成型速度快、精度高、適用于復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)、表面光滑且無需額外處理等優(yōu)勢，在陶瓷增材制造中得到了廣泛應(yīng)用，受到科研界的高度關(guān)注。根據(jù)陶瓷增材制造的不同工藝類型，本文歸納了8種技術(shù)（見表作者簡介：夏子靖（1999-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)?D打印多孔材料。

1），其打印流程如圖1所示。

2光固化成型中的光敏樹脂

2.1光敏樹脂的組成

光敏樹脂材料因其優(yōu)異的干燥性能和快速固化能力，被廣泛應(yīng)用于3D打印。打印產(chǎn)品表面光滑，具有一定的透明磨砂效果。此外，這類樹脂氣味溫和，刺激性成分較少，適合于多種3D打印系統(tǒng)。在光敏樹脂的研發(fā)中，研究重點(diǎn)集中于優(yōu)化合成工藝，以提升力學(xué)性能并降低固化過程中的收縮率。光敏樹脂的主要組成包括：

光引發(fā)劑（Photoinitiator）單體/增塑劑（Monomers/Plasti-cizer）、低聚物（Oligomers）陶瓷漿料（Ceramicslurries）分散劑（Dispersant）和稀釋劑（Diluents），其詳細(xì)構(gòu)成見表2。

2.2光引發(fā)劑與助劑

在特定波長光照條件下，光敏引發(fā)劑能夠觸發(fā)體系的聚合過程，根據(jù)其引發(fā)機(jī)理，可劃分為自由基型光引發(fā)劑和陽離子型光引發(fā)劑。高品質(zhì)的光敏引發(fā)劑具備多重優(yōu)勢，例如高效觸發(fā)反應(yīng)、優(yōu)良的耐高溫性能、避免不必要的暗反應(yīng)，并且能夠在單體與預(yù)聚體中實(shí)現(xiàn)良好溶解。此外，這些引發(fā)劑在光照后通常不會產(chǎn)生明顯的黃變，甚至完全無黃變現(xiàn)象，同時(shí)具備低毒性及環(huán)保屬性。

2.3單體

光敏樹脂中的單體種類豐富，不同組合可實(shí)現(xiàn)特定的固化效果與性能。單體中活性官能團(tuán)數(shù)量對固化過程至關(guān)重要。相比單官能團(tuán)單體，多官能團(tuán)單體顯著提高了交聯(lián)密度，從而增強(qiáng)生坯的強(qiáng)度和硬度。然而，官能團(tuán)數(shù)量增加也導(dǎo)致樹脂黏度升高，可能影響陶瓷漿料的流變性能2]。用的環(huán)氧類單體包括環(huán)氧丙烯酸甲酯（EMA）和環(huán)氧丙烷基甲基丙烯酸酯（EPMA）。它們在光照下可發(fā)生聚合反應(yīng)。光固化過程中，光引發(fā)劑吸收光能后生成活性自由基或離子，誘導(dǎo)單體聚合形成長鏈，并通過丙烯酸基團(tuán)交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)賦予材料優(yōu)異的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性。隨著固化反應(yīng)的推進(jìn)，材料最終固化，形成滿足形狀和性能要求的成品[。另外表3為常見的單體及其性質(zhì)。

2.4稀釋劑

稀釋劑常被加人樹脂體系中，盡管不直接參與光固化交聯(lián)反應(yīng)，但能顯著降低單體溶液黏度，同時(shí)不影響其紫外光反應(yīng)特性2。然而，稀釋劑用量過多（超過樹脂重量的 40% ）會導(dǎo)致部件變軟[23]。Hinczewski的研究24表明，通過評估高負(fù)載樹脂的黏度和紫外線固化性能，可確定稀釋劑的最佳添加量。研究結(jié)果顯示，當(dāng)固體負(fù)載量為 80wt.% 且稀釋劑添加量為30wt%（相對于樹脂重量）時(shí)，氧化鋁樹脂的黏度為 18Pa？s ，約為無稀釋劑時(shí)的三分之一。此外，表4[13-15，21，24，25]列出了陶瓷漿料中常用的幾種分散劑。

2.5分散劑

分散劑是一種具有親油性和親水性雙重性質(zhì)的表面活性劑，在陶瓷漿料的制備中至關(guān)重要[3]。它通過包裹粉末顆粒，防止顆粒團(tuán)聚，從而保持懸浮液的穩(wěn)定性。高分子型分散劑在顆粒表面形成液膜，增加電荷密度，增強(qiáng)靜電排斥力，有效抑制顆粒聚集。此外，分散劑中的親水基團(tuán)吸附水分，提升顆粒的潤濕性，減少顆粒間的吸附作用，改善漿料的分散性與均勻性2。實(shí)際應(yīng)用中，分散劑有助于改善漿料穩(wěn)定性、減少沉淀、提高固含量，使陶瓷懸浮液更加均勻和易加工。常用的分散劑包括含環(huán)氧基的偶聯(lián)劑、含酸基的共聚物、兩性聚合物和氨基酸酯共聚物等，它們通過不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制，在陶瓷漿料制備中發(fā)揮重要作用27。

在光敏樹脂制備過程中，分散劑的用量和種類直接影響漿料的固含量、流變特性和黏度。過多或過少的分散劑都會導(dǎo)致漿料黏度升高，而在最佳添加量范圍內(nèi)，能在后續(xù)成型過程中獲得理想效果。由于分散劑的分散機(jī)制獨(dú)特，其用量應(yīng)與陶瓷粉末的比表面積成正比。如果分散劑不足，顆粒表面無法完全覆蓋，容易發(fā)生絮凝；而過量分散劑則可能超出吸附飽和點(diǎn)，導(dǎo)致纏繞或橋接效應(yīng)，進(jìn)而增加漿料黏度。王傳創(chuàng)2研究了氧化鋁陶瓷漿料中聚丙烯酸銨（KOS110）分散劑的用量。結(jié)果表明，低濃度時(shí)，分散劑未能完全吸附，漿料黏度未顯著降低；而高濃度時(shí)，過量的游離分散劑在顆粒間形成橋接效應(yīng)，增加摩擦力，導(dǎo)致黏度上升。實(shí)驗(yàn)顯示，KOS110的最佳添加量為 5wt% ，此時(shí)漿料黏度最低，分散效果最佳，適用于光固化成型工藝如表5[13.15-16，8，29，30-3235-36]列舉了一些常用的分散劑。

33D打印中的陶瓷

3.13D打印中陶瓷材料的分類

陶瓷3D打印技術(shù)所使用的材料根據(jù)其形態(tài)可分為漿狀材料、粉末材料、絲狀材料和片狀材料四大類別。每種材料都具備獨(dú)特的組成特點(diǎn)、性能優(yōu)勢及適用領(lǐng)域。其中漿材通常是通過將陶瓷粉末與有機(jī)物液體混合攪拌而成的懸浮液或膏狀物。這種材料的制備過程包括將陶瓷粉末均勻地分散在液體介質(zhì)中，同時(shí)添加分散劑、增稠劑等輔助材料，以確保漿料的流動性和穩(wěn)定性2。漿材在3D打印中主要用于直接墨水寫入（DIW）技術(shù)和立體光固化（SLA）技術(shù)β0。DIW技術(shù)利用漿料的高粘度和可塑性，通過精確控制的擠出過程，將陶瓷漿料逐層堆積成型。而在SLA技術(shù)中，漿料中的光敏樹脂在紫外光照射下固化，形成陶瓷結(jié)構(gòu)。漿材具有優(yōu)異的成型自由度和較高的分辨率，適用于制造復(fù)雜形狀的陶瓷零件。

粉末材料是由純陶瓷粉末或陶瓷粉末與有機(jī)顆?；旌隙傻膹?fù)合粉末。粉末的粒徑、形態(tài)以及粒徑分布對打印成品的密度、力學(xué)性能和表面質(zhì)量具有直接且顯著的影響。粉材主要應(yīng)用于選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)、選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)和三維打?。?DP）技術(shù)。在SLM和SLS技術(shù)中，粉材在高功率激光的作用下被逐層熔化或燒結(jié)，從而形成致密的陶瓷零件。3DP技術(shù)則通過噴射粘合劑將粉材逐層粘結(jié)成型[3。這些技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高強(qiáng)度、高密度的陶瓷零件生產(chǎn)，適合于需要承受高溫和高壓的工業(yè)應(yīng)用。

絲材主要是指用于熔融沉積成型（FDM）技術(shù)的熱熔性絲狀材料[32]。這類材料由熱塑性聚合物與陶瓷粉末混合制成，通過加熱熔融后經(jīng)噴嘴擠出，逐層堆積完成成型。FDM技術(shù)的優(yōu)勢在于材料種類豐富且設(shè)備操作相對簡便，但受材料熔融特性的限制，其應(yīng)用范圍和成品性能相比漿材和粉材有所局限[33]。通常，F(xiàn)DM技術(shù)適用于打印中等精度要求的陶瓷零件，并廣泛用于原型制造和教育領(lǐng)域。

片材是指用于層壓成型（LOM）技術(shù)的陶瓷材料薄膜。這種薄膜通常是通過膠帶鑄造或熱壓工藝預(yù)先制備的陶瓷片材。在LOM技術(shù)中，片材通過逐層疊加并切割成型，然后通過熱壓或膠黏劑將各層結(jié)合在一起34。LOM技術(shù)能夠制造大尺寸且復(fù)雜形狀的陶瓷結(jié)構(gòu)件，特別適合于需要高精度且大批量生產(chǎn)的應(yīng)用。然而，片材成型工藝復(fù)雜，且后續(xù)處理較為繁瑣，因此多用于特定高端制造領(lǐng)域[35]。

3.2光固化打印中常用的陶瓷

光固化打印中常用的陶瓷材料主要包括氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、氮化硼陶瓷、陶瓷前驅(qū)體以及氮化硅陶瓷等。在打印過程中陶瓷的種類決定著打印質(zhì)量、精度以及成品的力學(xué)性能，陶瓷的粒徑直接影響到打印漿料的流動性和光固化過程的效率。陶瓷的固含量則對漿料的粘度和打印精度有重要影響。最后，燒結(jié)工藝流程對陶瓷材料的致密度、力學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定性及最終微觀結(jié)構(gòu)具有重要影響。

氧化鋁是廣泛應(yīng)用的氧化物陶瓷之一，具有高硬度、出色的耐磨性和優(yōu)良的電絕緣性能。其硬度僅次于金剛石，因此被廣泛應(yīng)用于切削工具、磨料及耐磨部件的制造。Zhang等人采用光固化打印技術(shù)，摻入 5w t% KOS110的分散劑，經(jīng)過攪拌均勻的到了固含量為 60% 的陶瓷漿料，最后得到了氧化鋁陶瓷的式樣與刀具。

另外氧化鋁的粉末尺寸在打印的過程中也起到至關(guān)重要的作用。焦守政等[38探討了粉末粒徑對光固化 陶瓷性能的影響。通過掃描電子顯微鏡（SEM）對比分析了使用未分級粉體和分級粉體制備的 陶瓷樣品的斷裂形貌（見圖4）

氧化鋯具有出色的力學(xué)性能耐高溫和耐腐蝕特性，以及優(yōu)異的生物相容性，這使得它非常適合用于工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域。此外，氧化鋯的顏色可調(diào)性使其在飾品和裝飾件的制作中也備受青睞。郭亮等使用數(shù)字光處理（DLP）3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了精細(xì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)氧化鋯陶瓷的制造。實(shí)驗(yàn)采用固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 72.5% 的陶瓷-光敏樹脂漿料，通過紫外光逐層固化構(gòu)建立體結(jié)構(gòu)。Meng等[42]則通過調(diào)整與優(yōu)化打印工藝參數(shù)，利用數(shù)字光處理技術(shù)成功制備了內(nèi)部擬合度為 $（239.3＼pm7.9）＼ensuremath{＼upmu＼mathrm{{m}}}$ 、邊緣擬合度為 （128.1±7.1）μm 的產(chǎn)品。在經(jīng)過脫脂和燒結(jié)處理后，所得氧化鋯修復(fù)體展現(xiàn)出優(yōu)異的性能。如圖 所示。

4陶瓷3D打印的基礎(chǔ)發(fā)展趨勢

陶瓷3D打印技術(shù)具備多項(xiàng)優(yōu)勢，例如簡化復(fù)雜生產(chǎn)工藝、顯著降低人力與物力投入、縮短制造周期、節(jié)省材料并降低生產(chǎn)成本，同時(shí)有效解決了復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件加工的技術(shù)難題。自前，陶瓷3D打印市場的需求主要集中在以下幾個(gè)領(lǐng)域：

首先是將陶瓷3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)工藝相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)。日常陶瓷產(chǎn)品的開發(fā)和制造需要快速響應(yīng)市場的多樣化需求。然而，傳統(tǒng)工藝如注漿成型和壓制成型，往往周期較長，加工過程繁瑣，特別是在制作特殊形狀時(shí)，需要多個(gè)模具的配合，難以高效滿足客戶對樣式和交付時(shí)間的個(gè)性化需求。相比之下，陶瓷3D打印技術(shù)作為工業(yè)升級的創(chuàng)新解決方案，以更高效率應(yīng)對市場對個(gè)性化與定制化產(chǎn)品的需求。

此外，在高性能陶瓷功能部件領(lǐng)域，陶瓷材料憑借其優(yōu)異的化學(xué)、物理和力學(xué)特性，如高強(qiáng)度、高硬度、耐磨性、耐高溫、抗腐蝕、防潮、良好的絕緣性能以及一定的抗熱沖擊能力，廣泛應(yīng)用于航空航天、高端武器、船舶、汽車和電子等行業(yè)。尤其是在制造如航天器耐高溫陶瓷片等高精度、高性能部件時(shí)，陶瓷3D打印技術(shù)展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。

盡管陶瓷3D打印的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用尚未完全成熟，其當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)在于如何實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量生產(chǎn)，以及克服制造高致密度大型復(fù)雜零件的技術(shù)難題。基于此，國內(nèi)外學(xué)者對陶瓷3D打印設(shè)備和材料的研究給予了高度關(guān)注。近年來，我國對增材制造的發(fā)展日益重視，推動陶瓷3D打印技術(shù)的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用已成為我國乃至全球的重要發(fā)展自標(biāo)。

5結(jié)語

光固化陶瓷3D打印技術(shù)的應(yīng)用潛力正在快速擴(kuò)展，尤其在醫(yī)學(xué)、能源和環(huán)保等領(lǐng)域。隨著技術(shù)的進(jìn)步，陶瓷3D打印不僅滿足高精度的個(gè)性化需求，還能生產(chǎn)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)和多孔材料，提供傳統(tǒng)陶瓷加工工藝難以實(shí)現(xiàn)的形狀和性能。例如，生物陶瓷在醫(yī)療領(lǐng)域，尤其是人工關(guān)節(jié)和牙科修復(fù)材料中，逐步取代傳統(tǒng)制造方法，帶來更高的舒適性和性能。然而，陶瓷3D打印仍面臨材料性能控制、打印缺陷和后處理工藝優(yōu)化等挑戰(zhàn)。陶瓷的高熔點(diǎn)和脆性容易導(dǎo)致裂紋和翹曲，影響打印質(zhì)量和應(yīng)用效果。為解決這些問題，研究者不斷優(yōu)化打印工藝和材料配方，并探索如熱等靜壓和高溫?zé)Y(jié)等后處理技術(shù)，以提高成品的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。盡管陶瓷3D打印在某些領(lǐng)域已有顯著進(jìn)展，仍需提升打印速度、降低成本，增加材料多樣性和可用性，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。目前，企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)正在探索降低能耗和材料浪費(fèi)的生產(chǎn)方式，推動更環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)模式。隨著技術(shù)發(fā)展，陶瓷3D打印預(yù)計(jì)將在航空航天、能源、電子器件等高端領(lǐng)域發(fā)揮更大作用，提供更高效、定制化的解決方案。陶瓷3D打印不僅在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造模式上帶來革命性變化，也推動了陶瓷材料的創(chuàng)新應(yīng)用，預(yù)計(jì)將在全球陶瓷產(chǎn)業(yè)中占據(jù)越來越重要的位置，尤其在高精度和高性能要求的應(yīng)用領(lǐng)域，帶來更多挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

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