浙大贺永教授团队《Progress in Materials Science》：陶瓷光固化3D打印的多尺度视角与全流程调控

导读：近日，浙江大学贺永教授团队在材料学科综述旗舰刊《Progress in Materials Science》发表长篇综述Ceramic vat photopolymerization: a multiscale perspective。文章系统梳理陶瓷光固化全产业链发展现状，覆盖生物医用、航空航天、电子散热、新能源四大应用赛道，队针对行业长期存在的 “可打印但烧结性能弱” 多尺度性能瓶颈提出的完整解决方案。首次提出陶瓷光聚合“抵抗-预防-释放 -利用”四级全流程协同优化策略，为高精度复杂陶瓷构件构建系统框架，也为骨修复支架、牙科陶瓷等生物医用器件研发奠定理论基础。

一、研究背景：陶瓷光固化技术的应用前景与核心挑战

图1 陶瓷光聚合多尺度结构制造全景框图

基于光固化的陶瓷增材制造技术依托微米级成型精度、超高结构设计自由度，覆盖多元高端制造领域：生物组织工程支架、航天耐高温陶瓷构件、电子设备微通道散热陶瓷、新能源电池/燃料电池多孔功能件等场景均展现巨大潜力。

陶瓷材料具备高硬度、耐温、耐腐蚀、生物相容、绝缘导热等差异化优势，但陶瓷光固化工艺链路长、多场耦合效应复杂，长期存在共性核心瓶颈：外观完好的打印生坯，经脱脂、高温烧结后极易发生开裂、翘曲、尺寸偏移、薄壁/多孔结构坍塌，即“可打印但烧结性能差”困境。

综述明确该问题本质：陶瓷光固化跨越纳米粉体到厘米级宏观构件，光化学场、流体场、热场、应力场全程互相作用；浆料配制、光成型、脱脂、烧结任一环节产生微小缺陷，都会沿整条工艺链持续累积、逐级放大，最终造成成品缺陷。

图2典型热处理优化策略

二、核心瓶颈：全流程缺陷耦合演化

当前国内外相关研究大多仅针对浆料、打印、烧结某单一工序开展局部优化，缺少对缺陷跨工序遗传、连锁演化的系统性研究，各类优化方案零散割裂，无法从根源解决烧结失效难题。论文系统划分四大原生缺陷，完整梳理其生成、传递、放大全过程：

粉体分散：浆料内陶瓷颗粒团聚、局部固含量分布不均，打印阶段引发区域性固化差异；进入脱脂、烧结工序后，演变为封闭内部孔洞、疏松脆弱陶瓷骨架，直接降低构件整体致密度与力学性能。

界面结合：陶瓷粉体与光敏树脂界面结合力弱、打印层间润湿不充分、局部固化不完全，会造成生坯层间结合薄弱；脱脂过程易出现分层脱粘，烧结阶段裂纹沿弱界面快速扩展，引发构件整体层裂失效。

气孔缺陷：浆料搅拌、刮刀铺层过程裹挟微小气泡；脱脂阶段有机分解气体排出受阻，内部气压持续升高形成永久孔洞；烧结时气孔成为应力集中源，持续催生大量微观裂纹。

应力累积：光固化体积收缩、层间收缩差值、升降温带来热-力耦合作用，会在打印、脱脂、烧结全流程不断累积局部应力；初期仅产生微小局部形变，持续放大后出现整体翘曲、尺寸超差，严重时构件直接坍塌。

关键结论：四类缺陷并非独立产生，而是相互耦合、协同恶化。气孔会加剧应力集中，应力集中又进一步破坏界面结合；粉体不均会同步催生气孔与界面缺陷。仅优化单一工序无法彻底消除成型与烧结缺陷，必须建立覆盖完整制造链路的一体化调控方案。

图3 多尺度-长工艺链缺陷演化规律

三、核心创新：联动一体化调控框架

基于全流程缺陷耦合演化机理，综述依托浆料、成型、热处理、数字化设计完整工艺链路，提出材料体系抵抗-成型工艺预防-热处理应力释放–利用结构反向调节四维协同体系，适配航空、电子、能源、生物等各类多尺度陶瓷构件统一制造需求：

材料体系抵抗：强化陶瓷骨架抗损伤能力

浆料组分、粉体特性直接贯穿成型、脱脂、烧结全流程，决定陶瓷骨架抵御形变、开裂的基础性能。通过多尺度级配陶瓷粉体，在实现高固相填充率的同时降低浆料粘度；搭配低聚合收缩光敏树脂体系，大幅削弱光交联带来的原生层间应力；适配对应烧结助剂体系，降低致密化所需烧结温度，缓解高温形变。均匀分散的粉体可有效抑制脱脂阶段局部应力集中，从原料端减少各类缺陷生成。

成型工艺预防：打印阶段从源头遏制缺陷

通过设备、光路、铺料全参数协同优化，在成型源头减少气泡、弱结合层等原生缺陷，降低后续热处理失效概率。匹配浆料光学吸收特性优化曝光剂量与单层厚度，平衡成型精度与层间结合强度；采用灰度渐变分区曝光，消除层间固化梯度差；搭配适配刮刀与无接触支撑成型方案，降低薄壁、微结构拉扯损伤，同时配套专用清洗工艺清除构件内部残留浆料，规避气孔隐患。

热处理可控释放：分阶段可控释放累积应力

根据陶瓷材质、构件壁厚、孔隙结构定制分段脱脂、烧结热处理曲线，分阶段缓释成型与脱脂累积的内部应力。依托树脂热分解曲线设计阶梯式升温脱脂程序，缓慢排出有机分解产物，避免内部气压撑裂构件；设置多段烧结保温区间，促进颗粒均匀致密化，缩小区域收缩差；针对大壁厚、多孔复杂件采用粉体埋烧工艺，均衡全域温度场，抑制整体翘曲变形。

利用结构逆向优化：数字化建模阶段提前补偿烧结形变与缺陷

充分发挥光固化高设计自由度优势，在三维建模阶段提前预判脱脂、烧结带来的收缩与应力集中问题，覆盖微米精细结构至大型工业构件全尺度。针对不同壁厚、孔隙区域设置差异化尺寸收缩补偿系数；在尖角、薄壁等应力集中区域设计圆角、局部加强结构；设计贯通式连续孔道，为脱脂气体提供通畅逸出通道，从设计端提前规避形变、开裂风险。

图4 利用结构反向调控策略

材料、成型、热处理、数字化结构协同匹配，搭建通用型多尺度近净形陶瓷完整制造理论框架，可适配多领域陶瓷构件开发。

图5 全工艺链四级调控策略

四、生物制造细分赛道

这套全链条协同调控理论可全面赋能生物陶瓷器件的研发与定制化量产，适配钙磷基、氧化锆等主流生物陶瓷体系，能够制备仿生骨多孔支架、牙科全瓷修复体、细胞组织工程载体等核心医用构件，可精准调控孔隙结构与力学性能以匹配人体骨骼特性，兼顾生物相容性与骨传导能力，为个性化骨缺损植入器械、口腔修复产品的开发提供完整全流程工艺解决方案。

五、总结

总的来说本综述完整厘清缺陷跨尺度、跨工序耦合演化底层机制，原创四维全链路协同调控框架，打破单一工艺优化的局限性，可为生物医疗、航空、电子、能源全领域高精度陶瓷3D打印提供系统性理论支撑，有力推动骨修复支架、牙科陶瓷等生物医用构件的实验室研发与临床转化落地。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2026.101767

第一作者：叶昀博士后，长期深耕陶瓷增材制造、光固化体积打印等方向研究。

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