2023年11月25日，华中科技大学樊自田教授团队在《Additive Manufacturing》上发表题为Effect of sintering aid combined vacuum infiltration on the properties of Al₂O₃-based ceramics via binder jetting的研究论文，为实现高强度和高相对密度的陶瓷组件打开了新的途径。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103898

 研究简介 

在本研究中，作者将MnO₂烧结助剂与TiO₂溶胶-凝胶真空渗透相结合，引入MnO-TiO₂-Al₂O₃三元烧结体系，以此来降低烧结温度，提高Al₂O₃基陶瓷的强度和相对密度。通过单因素实验和响应面实验，研究了MnO₂添加量、坯体烧结温度、渗透时间和渗透真空度对粘结剂喷射Al₂O₃基陶瓷性能和增强机理的影响。研究结果表明，在MnO₂添加量为10%、烧结温度为1450℃、渗透时间为60s、渗透真空度为24KPa的条件下，Al₂O₃基陶瓷的抗弯强度和相对密度分别达到113.79MPa和78.13%。与未经烧结助剂复合渗透处理的Al₂O₃陶瓷样品相比，其抗弯强度提高了48倍，相对密度提高了41.85%。

图1 Al₂O₃陶瓷样品和零件的集成制备流程图

图2 单因素实验结果（每个因素对样品弯曲强度和相对密度的影响）：(a)MnO₂含量(b)烧结温度(c)浸渍时间(d)浸渍真空压力

图3 不同烧结温度下浸渍的陶瓷样品的显微结构形貌：(a)1350℃(b)1400℃(c)1450℃(d)1500℃

图4 在超深度场三维显微镜下的样品表面形貌：(a1-a2)坯体的上表面(b1-b2)坯体的侧表面(c1-c2)烧结后样品的上表面(d1-d2)烧结后样品的侧表面

图5 经过工艺优化后的浸渍和烧结的陶瓷样品的XRD、SEM显微结构和EDS光谱：(a)XRD图谱(b-c)SEM显微结构

图6 添加2％、4％和6％烧结助剂后浸渍和烧结的样品的SEM显微结构：(a-a1) 2％；(b-b1) 4％；(c-c1) 6％

 研究结论 

（1）通过优化工艺确定了烧结助剂添加量为10％，烧结温度为1450℃，浸渍时间为60s，渗透真空度为24KPa。对处理后的样品进行了验证测试，结果符合预期，弯曲强度和相对密度分别达到113.79MPa和78.13％。弯曲强度是未经处理的氧化铝陶瓷样品的48倍，相对密度提高了41.85%。（2）在烧结过程中形成了MnTiO₃和MnAl₂O₄。MnTiO₃被确认为陶瓷样品机械性能提升的主要原因，而少量的MnAl₂O₄的存在也对机械性能的改善起到了辅助作用。