2022年12月14日，中国科学院上海光学精密机械研究在《Additive Manufacturing》上发表题为3D printing of infrared transparent ceramics via material extrusion（材料挤压3D打印红外透明陶瓷）的研究论文，报道了第一个由DIW直写3D打印的红外透明陶瓷，其红外光学性能可以接近传统方法生产的陶瓷水平。
//doi.org/10.1016/j.addma.2022.103364
文章简介
利用3D打印技术制备具有复杂几何结构的透明陶瓷，进一步突破了传统陶瓷成型工艺的局限，从而吸引到越来越多人的研究。但迄今为止，3D打印透明陶瓷仅限于可见透明系统。本文通过材料挤压首次制备了3D打印红外透明氧化锆陶瓷。研究人员开发了一种固含量高达50 vol%的水性陶瓷油墨，具有出色的剪切稀化性质。利用该陶瓷油墨成功地打印出了曲面曲率半径(R)为6.5 mm、凹曲率半径(R)为5.5 mm、厚度为1 mm的半球形穹顶盖和平面圆盘(R=10 mm)。经预烧结和热等静压(Hip)两步烧结工艺，可获得99.85%的相对密度。如此高的相对密度使其在中红外(3-5 µm)区域具有高透明度(70%)。
研究背景
采用高纯度陶瓷纳米颗粒可烧结制备多晶透明陶瓷。它们在大规模制造方面的双重优势和优越的机械强度引起了现代光学领域越来越多的兴趣，如高功率激光器、高压钠灯和超声速飞行器的光学窗，同时也对复杂形状定制物体的需求越来越大。3D打印技术具有很高的成型自由度，可以对抗传统陶瓷制造工艺的典型几何限制。3D打印还允许快速无模制造，其中所有组件都可以通过数字化设计。在目前的3D打印技术中，通过计算机控制的喷嘴通过小孔沉积材料形成设计结构的材料挤压是一种适合制造光学陶瓷元件的方法，而其中使用高度分散墨水的直写(DIW)3D打印工艺具有以下几个独特的特点:首先，制造过程简单，可以在一个平面上完成;其次，DIW实现了低成本、高灵活性的大规模陶瓷元件打印。然而，目前透明陶瓷的DIW直写3D打印仍局限于可见透明陶瓷体系。透明陶瓷的一个重要的应用是恶劣服务环境下的红外光学，包括红外穹顶、传感器保护和高重复率红外激光器。这些应用要求材料不仅具有高的光学透明度、耐磨性和强度，而且在高温下具有良好的热稳定性和低的光学发射率。
研究内容解读
本研究报道了第一个由DIW直写3D打印的红外透明陶瓷。采用DIW技术制备了多晶3mol .% Y2O3稳定四方氧化锆多晶(3Y-TZP)结构的三维红外透明元件。之所以选择3Y-TZP，是因为它具有一些独特的性能，如优异的机械性能、耐磨性、耐化学性以及高红外透明度。3Y-TZP陶瓷与尖晶石、钇锆等红外透明陶瓷相比，在3-5 µm范围内具有优异的透过率。此外，3Y- TZP的红外截止边缘扩展到~8µm。以往关于氧化锆陶瓷3D打印的报道主要集中在结构陶瓷或医疗应用上，但其合成结构不具有红外透明性，无法应用于光学领域。本研究开发了一种含3Y-TZP粉末的水基陶瓷墨水，该墨水具有较高的固体含量，可达50 vol%，具有良好的剪切减薄性能，适用于DIW技术。采用DIW直写3D打印方法制备了具有可定制复杂三维几何形状的红外透明陶瓷生坯。通过脱胶、预烧结、热等静压烧结工艺，获得了相对密度为99.85%、红外(3 ~ 5 µm)透过率为> 70%的陶瓷元件。同时研究了烧结过程中密度和微观组织的演变规律，确定了致密化机理。
图文速递
图1 （a）3Y-TzP油墨制备过程的示意图，打印3Y-TZP结构以获得具有设计几何形状的生坯，以及（b）脱脂和烧结过程。
图2(A)不同分散剂对pH值的依赖性。(B)3Y-Tzp纳米悬浮液在添加和不添加1wt %、2wt %和3wt %分散剂时，不同颜色的平面符号表示等电点。
图3 分散剂CE64对陶瓷粉体的影响。未添加任何添加剂(A)和添加2% CE64 (B)的3Y-TZP纳米颗粒的扫描电镜图像; 比较修饰前(C)和修饰后(D)修饰颗粒的拉曼光谱(F)。
图4不同固含量的材料墨水在不同剪切速率下的流变行为(A)，固含量为35 vol%(黑色)、40 vol%(红色)、45 vol%(蓝色)、50 vol%(绿色)的墨水图片(B)。
图5 TG-DSC分析结果，包括失水过程(浅绿色范围)、添加剂聚合物燃烧过程(浅蓝色范围)和陶瓷烧结过程(浅红色范围)。蓝色圆圈表示钇稳定四方氧化锆相的生成。
图6脱脂和预烧结以确保颗粒接触以避免气孔问题(A)。HIP烧结以达到完全致密化(B)。
图7红外透明陶瓷的密度演化过程，主要包括墨水与粉末、干燥与CIP、预烧结、HIP等3D打印样品在1275 ◦C 预烧结陶瓷表面(B)。
图9 HIP处理3Y-TZP陶瓷预压后红外在线透过率的研究。样品的成型工艺为3D打印(蓝色曲线)，最后是3D打印后的CIP方法(红色曲线)和传统的CIP方法(黑色曲线)。
——END——
该文章发布的目的在于传递更多信息，如涉及作品内容、版权或其它问题，请于我司联系，我们将在第一时间删除内容！
直写3D打印学术交流群
限时开放，诚邀你的加入！
为方便从事“直写3D打印”相关领域的科研人员进行交流学习，中国九游会科技建立了“直写3D打印”研究领域的学术交流群，清华大学博士、挪威科技大学博士后将作为群顾问，欢迎相关领域的研究人员扫描下方二维码添加小编微信，备注：姓名-单位-研究方向，即可加入学术交流群，快速结识众多同研究领域的优秀人才！
关于中国九游会科技
深圳中国九游会科技有限公司成立于2015年，是一家以陶瓷增材制造技术为核心的高科技公司。
公司拥有以清华大学博士后、挪威科技大学海归博士等为主体的研发团队，致力于为客户提供完整的“陶瓷3D打印设备+陶瓷3D打印材料+陶瓷烧结工艺”整体解决方案！
目前，公司自主研发的一系列精细直写陶瓷3D、4D打印设备，生物直写陶瓷3D打印设备，光固化陶瓷3D打印设备以及相关陶瓷3D打印材料，已服务清华大学、哈尔滨工业大学、北京科技大学、北京理工大学、西北工业大学、四川大学、国防科技大学、深圳大学、中国科学院、燕之屋丝浓食品等全球100+家顶尖科研院所。
