2022年5月4日，新疆大学、帕多瓦大学的研究人员在《Ceramics International》上发表题为Enhanced mechanical properties of 3D printed alumina ceramics by using sintering aids的研究论文，报道了探讨助烧剂对3D打印氧化铝陶瓷性能的影响。研究结果显示，TiO₂、CaCO₃和MgO是优异的助烧剂，可以提高氧化铝陶瓷的抗弯强度和容重，或降低其收缩率。然而，目前对助烧剂对3D打印氧化铝陶瓷性能影响的研究还很少。因此，本研究系统地研究了烧结助剂的含量、种类和粒度对3D打印氧化铝陶瓷的微观结构、物理性能和力学性能的影响，并详细阐述了其中的机理。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884223012713

  研究简介  

基于立体光刻技术的3D打印提供了制备氧化铝陶瓷的有效途径，并对其力学性能进行了研究。然而，由于氧化铝陶瓷具有较高的熔点，传统烧结方法难以实现。本文利用立体光刻的3D打印技术成功制备了氧化铝陶瓷，并探究了不同烧结助剂（TiO₂、CaCO₃和MgO）的含量、类型和粒径对其力学性能的改善效果。

研究结果显示，随着TiO₂含量的增加（从0.5wt%增加到1.5wt%），烧结陶瓷的抗弯强度从139.2MPa增加到216.7MPa。当TiO₂含量达到1.5wt%时，陶瓷的力学性能在不同方向上呈现显著差异（X-Z面为216.7MPa，X-Y面为121.0MPa）。

另一方面，随着CaCO₃含量的增加，陶瓷的收缩率和抗弯强度下降，形成拉长的晶粒，并导致较大的残余孔隙形成。而添加MgO可以减少烧结陶瓷中因形成规则晶粒而产生的收缩率和抗弯强度的各向异性差异。

此研究为调控3D打印氧化铝陶瓷的抗弯强度、收缩率以及力学性能的各向异性提供了指导，并为制备具备优异力学性能的氧化铝陶瓷提供了新方法。

图1 不同TiO₂含量烧结陶瓷的微观结构放大:(a)0.5wt%;(b)1.0wt%;(c)1.5wt%;(d)0wt%。

图2 TiO₂含量为1.0wt%和不含TiO₂的烧结陶瓷的EDS分析。

图3 不同CaCO₃含量烧结陶瓷微观结构的放大:(a)0.5wt%;(b)1.0wt%;(c)1.5wt%。

图4不同MgO含量陶瓷的微观结构放大:(a)0.5wt%;(b)1.0wt%;(c)1.5wt%。

图5 1.0wt%微细MgO烧结陶瓷的EDS分析

图6 1wt%MgO烧结陶瓷微观结构的放大:(a)微晶;(b)纳米尺寸。

图7 1.0wt%纳米氧化镁烧结陶瓷的EDS分析。

图8 不同助烧剂和不同助烧剂含量烧结陶瓷的收缩率:(a)TiO₂;(b)CaCO₃;(C)MgO。

图9 不同形状晶粒的堆积:(a)不含CaCO₃的Al₂O₃陶瓷;(b)添加CaCO₃的Al₂O₃陶瓷。

图10 粒径对1.0wt%MgO烧结陶瓷收缩率的影响

图11 不同助烧剂和不同助烧剂含量烧结陶瓷的容重和开孔率:(a)TiO₂;(b)CaCO₃;(C)MgO。

图12 粒径对1.0wt%MgO烧结陶瓷体积密度和开孔率的影响。

图13 不同助烧剂及不同助烧剂含量烧结陶瓷的抗弯强度:(a)TiO₂;(b)CaCO₃;(C)MgO。

图14 添加TiO₂烧结陶瓷的微观结构演变:(a)不添加TiO₂的Al₂O₃陶瓷;(b)添加TiO₂的Al₂O₃陶瓷。

图15 粒径对1.0wt%MgO烧结陶瓷抗弯强度的影响。

 研究结论 

研究使用立体光刻的3D打印技术制备氧化铝陶瓷，并通过添加不同类型、粒径和含量的烧结助剂进行了改良。其中，添加1.5wt%TiO₂的陶瓷抗弯强度明显提高，出现显著的机械性能各向异性。随着CaCO₃含量的增加，陶瓷的收缩和抗弯强度均降低，原因是细长晶粒导致大尺寸孔隙的形成。加入MgO可以减少陶瓷收缩和弯曲强度的各向异性差异，形成了规则的晶粒。该研究为制造具有优异机械性能的3D打印氧化铝陶瓷提供了指导。

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