2021年11月16日，來自深圳大學和國立台北工業大學的研究人員發表了題為《陶瓷中3D列印堇青石-氧化鋯複合材料的機械增強》的研究報告，該研究的重點是光聚合3D列印用堇青石-氧化鋯復合陶瓷漿料的製備，並研究了奈米氧化鋯顆粒的新增對堇青石樣品力學效能的影響高溫燒結。還研究了此類試樣的強化機理，特別是增韌機理。
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關於研究
本研究以亞微公尺堇青石-氧化鋯復合陶瓷漿料為研究物件，製備了不同氧化鋯含量的復合陶瓷漿料。 我們使用立體光刻3D列印直接設計和製造了標準的彎曲強度和斷裂韌性測試樣品，並研究了不同燒結方案的機械增強效果。 對樣品的物理組成和微觀結構進行了表徵。 新增2wt%和6wt%氧化鋯後，複合材料的彎曲強度和斷裂韌性達到最大值，分別為136MPa和1.。8mpam，分別比純堇青石高44%和66%。 通過微觀結構分析，進一步解釋了複合材料的增強增韌機理。 本研究為基於3D列印技術的陶瓷複合材料部件的機械測試和加固提供了一種替代的、直接的設計和製造方法。
圖1：堇青石和氧化鋯的晶粒尺寸分布。
圖2 X射線衍射圖：（a）ZRO，（b）堇青石。
圖3：生體樣品的脫脂和燒結曲線。
圖 4：SEVNB 方法的標準樣本量和測試方法示意圖。
圖5 不同氧化鋯含量的漿料粘度隨剪下速率的變化而變化。
圖6 X射線衍射圖。
圖7：氧化鋯新增和燒結溫度對密度的影響 （a） 堆積密度與 （b） 相對密度，（c） 相對密度與不同燒結溫度的關係。
圖8 SEM二次電子成像：（a）ZC0粉末，（B）ZC10粉末，（C）燒結零件表面，（D）ZC0拋光表面，（E）ZC6拋光表面。
圖 9：相對密度與保持時間和加熱速率。
圖10：彎曲強度與加熱速率和保持時間的函式關係。
圖 11 彎曲強度與氧化鋯含量和燒結溫度的函式關係：（a） 氧化鋯含量，（b） 燒結溫度（ZC6）。
圖12 斷裂韌性與氧化鋯含量和燒結溫度的關係：（a）氧化鋯含量，（b）燒結溫度（zc6）。
圖13（a）-（b）晶粒拔出，（c）-（d）跨晶裂和晶間斷裂。
研究結論
在實驗中，基於立體光固化光聚合的3D列印技術成功設計製備了堇青石-氧化鋯陶瓷復合試件，並在高溫下燒結。 研究發現，隨著氧化鋯含量的增加，複合材料的堆積密度增加，但當氧化鋯含量超過8%時，會導致氣孔和裂紋，堆積密度降低。 最佳熱處理方案為6 min公升溫速率和2 h保溫時間。 隨著氧化鋯含量的增加，複合材料的抗彎強度增加，但斷裂韌性先增大後減小。 隨著燒結溫度的公升高，試樣的抗彎強度和斷裂韌性隨著氧化鋯含量、印刷引數、加熱速率和保溫時間的增加而逐漸增加。 本研究提供了一種基於3D列印技術的陶瓷複合材料零件製造方法。