能否利用逐層打印工藝制造具有增強機械性能的多材料結構

立體光刻技術在陶瓷3D打印領域發展迅速，尤其是基于該技術已經可以制造出與傳統路線制造的陶瓷相當機械性能的大塊體。適當的材料體系，以及定制和優化的燒結曲線一直是陶瓷立體光刻技術發展的關鍵。該技術成功應用的一個例子已在氧化鋁陶瓷中得到證明，其中已測量出較高的機械強度和相對較低的散射。這就提出了一個問題，能否有可能利用逐層打印工藝來制造具有增強機械性能的多材料結構。

Lithoz陶瓷立體光刻原理

近年來，許多努力都集中設計具有改善強度和韌性的陶瓷結構上，并且在某些情況下基于多材料架構的陶瓷確實增強了可靠性。包含不同材料的層間組合與牢固界面相結合，可以產生出不同的面內殘余應力，進而可以設計出具有高強度或能夠抵抗裂紋擴展的新型陶瓷。這些設計都與最終應用相關聯，并在研究中取得了進展。

奧地利萊奧本大學的研究人員展示了陶瓷立體光刻技術基于多材料方法制造具有空前高強度氧化鋁陶瓷的能力。使用不同材料逐層沉積，可以在表層中引入定制的壓縮殘余應力，目的是與陶瓷材料的整體性能相比，提高陶瓷材料的強度和可靠性。目前，Lithoz公司的CeraFab 7500打印機打印機已經可以通過兩缸系統添加材料，不僅可以復合打印兩種陶瓷材料，還可以實現陶瓷與金屬的復合。這為如何將增材制造的進步與多材料設計相結合，為制造復雜的3D打印陶瓷結構開辟了一條新途徑（多材料陶瓷3D打印機的運行原理可查看3D打印技術參考視頻號）。

首次在3D打印的氧化鋁陶瓷中測量到高達1GPa的特征強度

研究人員采用的材料是來自Lithoz公司的LithaLox MS548氧化鋁光固化懸浮液和LithaLox ZTA20氧化鋁和氧化鋯（80%氧化鋁和20%氧化鋯）光固化懸浮液，制備了多層氧化鋁(A)和氧化鋁-氧化鋯(ZTA)圓盤樣品用于材料表征測試，其結構為ZTA層嵌入在A層之間，形成A-ZTA-A的結構。多材料結構使用Lithoz公司新型的CeraFab Multi 2M30打印機制造，單材料結構采用CeraFab 7500打印機制造，兩臺打印機的橫向分辨率均為40μm，在打印過程中每層以180mJ/cm2曝光。所有樣品分別在1600°C的條件下以1°C/min的加熱速率燒結2小時。

此外，還打印了尺寸均為3×4 x 50mm的整體式彎曲棒，以測量單一材料（A和ZTA）的熱膨脹系數、彈性模量和斷裂韌性。如圖1（b）所示，所有彎曲桿均沿橫向打印。

經測試發現，單一氧化鋁（A）、整體式ZTA樣品的致密度均為98%，多材料A-ZTA-A的致密度為99%。因此認為無論是單一材料、整體式的多材料還是整體多層結構都可以被認為是致密樣品，具有相對較低的孔隙率，這與優化的燒結工藝相關。

整體式氧化鋁的楊氏模量為367Gpa，與文獻報道的氧化鋁典型值一致，即320GPa（95％相對密度）-410GPa（完全致密）。ZTA整體材料顯示出較低的楊氏模量，為333GPa，這是由于添加了具有較低彈性常數的氧化鋯所致。值得強調的是，測量的高精度對于良好估計多材料系統中的殘余應力至關重要。

3D打印的整體式A和ZTA陶瓷的楊氏模量（E），熱膨脹系數（CTE）和斷裂韌性

圖3顯示了單一氧化鋁A以及多材料A-ZTA-A樣品的微觀結構的SEM圖像。A具有相當細的晶粒尺寸分布，平均晶粒尺寸約為?2μm，在0.5μm-10μm之間分布。該微觀結構在打印方向上看起來非常均勻，從而導致了低孔隙率且各個層的致密化程度很高，幾乎看不到任何邊界。值得一提的是，選擇合適的燒結曲線對于保證均勻且致密的3D打印氧化鋁材料至關重要。

圖3（a）單一氧化鋁A樣品和（b）A –ZTA-A多材料樣品的微觀結構

圖3b示出了多材料樣品的微觀結構，在A區域和ZTA區域之間顯示出清晰的界面。這兩種微結構非常均勻，表明所選擇的燒結條件非常適當，LCM的打印精度也很高。頂部氧化鋁區域的晶粒尺寸分布與單一氧化鋁非常相似。ZTA區域包含非常細小的晶粒，平均尺寸為1μm。均勻的微觀結構以及兩個區域的低孔隙率與測得的99％的高相對密度相符。

彎曲強度測試結果表明，單一氧化鋁陶瓷樣品（A）和A-ZTA-A多層樣品分別為645MPa和1013MPa，這是首次在3D打印的氧化鋁陶瓷中測量到高達1 GPa的特征強度。多材料樣品顯著更高的強度可以通過氧化鋁層區壓縮殘余應力的屏蔽效應來解釋，在具有外部壓縮應力的多層系統的情況下，總應力狀態可以解釋為作用在斷裂發生區域的外加應力和殘余應力的疊加。

整體式A和A-ZTA-A陶瓷樣品的強度分布

a）位于打印表面的兩個較大晶粒是氧化鋁整體樣品中的典型缺陷（參見箭頭），b）亞表面顆粒(虛線)S是A-ZTA-A多材料樣品A層中的關鍵缺陷

值得指出的是，對于單一材料整體樣品和多材料結構板，所有失效的根源都在受拉的表面或附近。但是，在雙軸加載過程中可能會激活中央層中的缺陷。失效是從表面還是從A-ZTA界面開始，可能取決于外層的厚度以及ZTA材料的強度。總體而言，將這種多材料方法與3D打印技術相結合，可能會成為設計具有出色機械強度和可靠性復雜零件的新途徑。