综述：航空航天与国防领域中的先进陶瓷技术：传统制造方法与增材制造方法之间的相互关系

《Advanced Materials Technologies》：Advanced Ceramics in Aerospace and Defense: The Interrelationship between Traditional and Additive Manufacturing Approaches

本文系统分析了先进陶瓷在航空航天与国防领域的制造技术发展，对比了传统干湿成型工艺与增材制造的优缺点。重点探讨了选择性激光烧结、数字光 processing等增材制造技术在复杂几何结构陶瓷部件（如热障涂层、传感器、装甲）中的应用潜力，揭示了与工业4.0技术（数字孪生、物联网、人工智能等）融合后提升制造效率和定制化能力的路径。研究指出当前陶瓷AM面临材料选择、后处理工艺（烧结/脱绑）等瓶颈，但通过引入机器学习优化工艺参数、结合数字孪生实现实时质量监控，可显著提升产品性能。最后提出构建标准化质量体系与跨领域协同创新是未来突破方向。

　　在过去的十年中，增材制造（Additive Manufacturing, AM）经历了多次热潮，这些热潮不仅在学术界，也在工业界引发了广泛的关注。尽管并非所有关于AM的预测都实现了，但普遍认为AM是推动制造行业从以机器为中心向数字化制造转变的关键技术之一。AM能够通过在需要时生产定制化零件，减少供应链的复杂性，提高对客户需求的响应速度，并提升可持续性。目前，基于金属和聚合物的AM已被广泛接受，考虑到国际标准（如ASTM和ISO）的制定、其应用以及战略前瞻性。然而，先进陶瓷AM的发展才刚刚起步，正逐渐引起科学机构、初创企业和工业界的关注。由于陶瓷材料固有的脆性、对缺陷的敏感性和复杂的后处理要求，这些因素长期以来限制了陶瓷材料最佳性能的发挥。幸运的是，陶瓷AM已展现出解决陶瓷成型瓶颈的潜力。本文综述了先进陶瓷与传统制造工艺之间的关系，特别是在航空和国防应用领域，并探讨了AM与工业4.0技术支柱（如数字孪生、云计算、物联网、增强现实、大数据分析和人工智能）之间的协同作用。

### 1. 引言

先进陶瓷是一种由粉末材料经过热处理而制成的无机非金属固体材料。与聚合物或金属相比，先进陶瓷表现出更高的硬度、耐磨性、温度稳定性、耐腐蚀性、耐辐射性和电绝缘性。因此，陶瓷在解决制造和应用问题方面具有重要价值。从历史角度看，航空和国防领域对高性能材料的追求，一直是推动先进陶瓷研究与开发的重要动力。目前，陶瓷材料最著名的应用包括热防护系统（Thermal Protection Systems, TPS）、热障涂层（Thermal Barrier Coatings, TBCs）、传感器和执行器、装甲和空间屏蔽等。然而，随着航空和国防领域的快速发展，对先进陶瓷材料的需求也在不断变化，这促使了陶瓷AM技术的兴起。

### 2. 传统制造工艺

从原始粉末到最终产品，先进陶瓷的制造可以分为四个步骤：粉末制备、陶瓷素坯成型、烧结和后期加工。其中，素坯成型是制造陶瓷的关键步骤，因为大部分材料性能在这一阶段被定义，而后期加工的可行性则受到极大限制。传统的成型工艺可以分为干法成型和湿法成型。干法成型，如单向压制成型和冷等静压成型，其优势在于无需使用液体，从而避免了干燥步骤带来的问题。然而，这种方法通常只能制造简单形状，且粉末浪费率较高。湿法成型，如粉末注射成型、挤出成型、直接发泡成型、相变法、浇铸成型和溶胶-凝胶法，具有更高的形状复杂度，但存在较高的干燥裂纹风险、干燥时间长和能耗高，且大多数凝胶形成剂具有毒性，这限制了它们的广泛应用。

### 3. 增材制造

增材制造是一种通过逐层添加材料来制造零件的技术，与传统的减材制造和成形制造不同。随着工业4.0的推进，增材制造正在成为数字化制造的重要组成部分。通过结合数字孪生、云计算、物联网、增强现实、大数据分析和人工智能等技术，增材制造能够实现更高效的生产流程、实时的质量控制以及预测性维护。然而，增材制造在陶瓷领域的应用仍然面临诸多挑战，如陶瓷浆料或丝材的制备、打印过程中的可打印性问题，以及后期处理中出现的材料收缩和裂纹现象。

### 4. 陶瓷AM的技术成熟度

从全球角度来看，增材制造为先进陶瓷提供了新的设计边界，尤其是在几何复杂性和定制化方面。它能够实现高精度、高复杂度和高性能的设计，这使得陶瓷AM在航空和国防工业中具有巨大的潜力。然而，当前陶瓷AM的技术成熟度仍处于发展阶段，其优势和局限性需要进一步研究。陶瓷AM的成熟度体现在其技术的可用性、成本效益、工艺稳定性以及对材料性能的控制能力。尽管AM在制造复杂和定制化部件方面表现出色，但其在大规模生产中的效率和成本仍然存在问题。因此，提高陶瓷AM的工艺成熟度、开发高效的后处理技术以及建立完善的行业标准，是推动其在航空和国防领域应用的关键。

### 5. 陶瓷AM的可持续性与经济性前景

制造过程的核心在于将原材料转化为最终产品，而随着工业革命的推进，制造被视为经济增长和发展的主要引擎。然而，传统的陶瓷制造工艺由于高温烧结过程，往往伴随着较高的能源消耗和环境影响。相比之下，增材制造通过减少材料浪费、降低运输成本以及实现按需生产，为可持续制造提供了新的路径。例如，某些研究指出，增材制造可以显著减少航空和国防领域的材料使用、能源消耗和碳排放。此外，通过生命周期分析（Life Cycle Assessment, LCA）对陶瓷AM进行评估，可以更全面地了解其环境影响。然而，尽管增材制造具有可持续性优势，其在某些情况下仍然面临较高的成本和技术门槛，尤其是在材料设计、打印精度和后期处理方面。

### 6. 陶瓷AM的质量意识与标准

质量是制造过程中的核心要素，贯穿于从原材料到烧结零件的每一个阶段。为了确保质量，需要在制造过程中进行严格的监控，以减少缺陷、降低材料浪费并确保符合法律和行业标准。ISO 9000:2015标准强调了质量的定义，即“任何事物固有特性满足需求或期望的程度”。在航空和国防等对安全性要求极高的领域，质量控制尤为重要。尽管已有部分标准如ISO/ASTM 52940和ISO/ASTM 52957专门针对先进陶瓷AM，但这些标准仍然不够完善，尤其是在材料特性、工艺参数和后处理流程方面。因此，建立更全面的陶瓷AM标准和认证体系，对于推动其在航空和国防领域的应用至关重要。

### 7. 挑战与未来展望

当前，传统制造与增材制造在航空和国防领域呈现出复杂但互补的关系。传统制造在精密制造和大规模生产方面具有优势，而增材制造则在制造复杂和定制化部件方面表现突出。然而，陶瓷AM仍然面临诸多挑战，如材料的脆性、对缺陷的敏感性以及后处理过程中的技术难题。为了克服这些挑战，需要进一步优化材料设计、提高浆料和丝材的可打印性，并开发更高效的后处理技术。此外，陶瓷AM在与工业4.0技术融合方面也存在障碍，如缺乏自动化和实时控制能力，以及数据管理系统的不足。因此，未来的陶瓷AM发展应注重技术的完善、标准的建立以及与传统制造的协同应用，以实现更高效的生产流程和更高的产品可靠性。

### 8. 结论

本文综述了先进陶瓷制造技术的现状，尤其是在航空和国防领域的应用。通过分析传统制造与增材制造之间的关系，以及增材制造与工业4.0技术的融合，我们发现，增材制造在解决陶瓷成型瓶颈方面展现出巨大的潜力。然而，为了进一步推动陶瓷AM的发展，需要加强材料创新、提高工艺成熟度，并建立完善的行业标准。未来，随着技术的不断进步，增材制造有望在航空和国防领域发挥更大的作用，推动更高效的制造流程和更可持续的材料应用。同时，传统制造与增材制造的协同应用，将有助于构建更加灵活、高效和环保的制造生态系统。