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南京工业大学张可强/北京理工大学何汝杰等：层间结合在光固化增材制造陶瓷力学性能提升中的作用机制精选

已有 591 次阅读 2026-4-2 09:57 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Zhang K, Meng Q, Qu Z, et al. Interlayer bonding in vat photopolymerization additive manufactured ceramics with enhanced mechanical properties. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221290

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221290.

ResearchGate：Interlayer bonding in vat photopolymerization additive manufactured ceramics with enhanced mechanical properties

基金支持：

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(No. 52402084, 52275310) and the China Postdoctoral Science Foundation

(No. 2024M751646).

一、导读

光固化增材制造技术为复杂结构陶瓷的制造带来了极高的设计自由度，但其“层层叠加”特性也引入了一个固有的难题——层间结合薄弱，严重制约了陶瓷的力学性能。现有研究通常将光固化成型与高温烧结视为两个独立的优化阶段，忽略了层间区域在“光-热”连续场中的动态演化。本研究提出一种跨工艺协同控制的新范式，将层间界面视为一个在光热场中动态演化的系统，通过有效控制缺陷形成，实现了氧化锆陶瓷力学性能的突破。

二、研究背景

光固化3D打印陶瓷的力学性能远低于传统方法制备的陶瓷，其关键瓶颈在于层间结合区形成的缺陷。在成型过程中，每层的光聚合程度决定了层间残留单体的数量，进而影响后续层间的二次聚合；在烧结过程中，这些区域的颗粒堆积密度和孔隙演化路径又与初始聚合状态密切相关。然而，现有研究往往将光固化参数或烧结制度独立考虑，忽视了光聚合动力学与烧结动力学在层间区域的协同作用机制。

三、文章亮点

（1）提出跨工艺协同控制新策略：将层间视为“光-热”连续场中的动态演化系统，打破光固化与烧结的传统割裂，实现全流程一体化调控。

（2）构建层间结合三模型：基于光敏树脂的聚合程度，提出了“能量输入不足-适中-过高”三种层间结合模型，阐明了弱/强/弱结合的形成机制。

（3）阐明烧结动力学窗口：系统研究了1200~1650℃烧结温度与1~4 h保温时间对层间孔隙演化及力学性能的影响，明确了1350~1550℃致密化窗口。

四、研究结果及结论

当切片厚度较小时（25 μm），能量输入相对过高，一次聚合度过高，层间残留单体不足，导致二次聚合弱，层间结合薄弱。当层厚增大至75 μm时，能量输入适中，一次聚合后留有充足残留单体参与二次聚合，形成强层间结合。当层厚进一步增大至100 μm时，一次聚合不充分，虽残留单体多但能量不足以驱动有效二次聚合，层间再次变弱。“适中”的能量输入是强层间结合的关键。

图1 不同切片厚度ZrO₂ 陶瓷生坯及烧结体的测表面微观形貌: (a)(e) 25μm; (b)(f) 50μm; (c)(g) 75μm; (d)(h) 100μm

图2 ZrO₂陶瓷生坯层间结合模型：(a) 能量不足导致的弱结合(b) 能量适中形成的强结合, (c) 能量过高导致的弱结合

在1550℃烧结2 h条件下，晶界扩散与孔隙迁移达到最佳平衡，层间孔隙被有效排出，获得最高弯曲强度与相对密度。X-CT三维重构证实，优化后的样品内部无层间裂纹，残余孔隙主要为晶内闭孔。

图3 最优光固化工艺制备的ZrO₂陶瓷微观形貌：(a)生坯 (b)烧结体及其(c)3D X-CT重构图

本研究制备的氧化锆陶瓷弯曲强度与相对密度均处于文献报道的较高水平，充分验证了跨工艺协同控制策略的有效性。

图4光固化增材制造ZrO₂陶瓷的相对密度-弯曲强度的Ashby 图

五、作者及研究团队简介

张可强（第一作者，通讯作者），南京工业大学副教授，研究方向是陶瓷材料增材制造。近年来，主持国自然青年项目、中国博士后基金面上等4项，以第一/通讯作者在J. Adv. Ceram.、J. Mater. Sci. Technol.、Addit. Manuf.等期刊发表SCI论文20篇，单篇最高被引340余次，近五年总引用3700余次，h指数31，授权国家发明专利2项。担任Rare Metals、J. Inorg. Mater.、 Addit. Manuf. Frontiers等青年编委，在国内/国际学术会议上做特邀/邀请报告6次并担任分会场主席3次，并连续三年（2023~2025）入选全球前2%顶尖科学家年度榜单。

E-mail: zhangkeq@126.com

何汝杰（通讯作者），北京理工大学长聘教授、博士生导师。长期从事陶瓷及其复合材料3D打印基础理论、关键技术及工程应用研究，包括：陶瓷及其复合材料3D打印成形工艺与原理、3D打印陶瓷及其复合材料的形性表征与精准调控、3D打印陶瓷及其复合材料的结构功能一体化构筑与应用等。主持国家自然科学基金3项及各类国防/国家项目20余项。以第一/通讯作者发表SCI论文150余篇，授权专利10余件。担任Journal of Advanced Ceramics副主编、npj Advanced Manufacturing副主编、International Journal of Applied Ceramic Technology副主编及十几个英文/中文期刊的编委/青年编委。

E-mail: herujie@bit.edu.cn

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1）ZHANG X, ZHANG K, ZHANG B, et al. Mechanical properties of additively-manufactured cellular ceramic structures: A comprehensive study. Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11(12): 1918-1931. https://doi.org/10.1007/s40145-022-0656-5

2）HE R, ZHOU N, ZHANG K, et al. Progress and challenges towards additive manufacturing of SiC ceramic. Journal of Advanced Ceramics, 2021, 10(4): 637-674. https://doi.org/10.1007/s40145-021-0484-z

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科34种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。