DLP 3D打印技术协同增强MgO-Y2 O3 包覆Si3 N4 陶瓷的密度与固化深度研究

为解决Si3 N4 陶瓷在DLP 3D打印中因高紫外吸收和低烧结活性导致的层间结合差与致密化难题，南京航空航天大学团队创新性地采用共沉淀法在Si3 N4 颗粒表面包覆MgO-Y2 O3 层。该涂层通过降低折射率差异使固化深度提升33%（达107 μm），同时作为烧结助剂促进液相生成，实现了致密化与性能协同优化，为复杂结构高性能陶瓷制备提供了新思路。

　　

在航空航天、电子信息和生物医学领域，氮化硅(Si₃
N₄
)陶瓷因其卓越的机械强度、热导率和化学稳定性备受青睐。然而，传统成型技术如干压、注塑等难以构建复杂互联结构，而新兴的数字光处理(DLP)3D打印技术虽能实现高精度成型，却面临Si₃
N₄
粉末高紫外吸收、低烧结活性的双重挑战——这导致打印件层间结合弱、致密度不足，严重制约其性能发挥。更棘手的是，现有改性策略如树脂包覆或氧化硅过渡层虽能改善固化性能，却可能引入有机物分解缺陷或降低热导率；而传统烧结助剂混料方式又易造成分散不均，影响最终致密化效果。

针对这一技术瓶颈，南京航空航天大学的研究团队独辟蹊径，将材料设计与工艺创新相结合，提出通过共沉淀法在Si₃
N₄
颗粒表面构建MgO-Y₂
O₃
双相涂层。这一巧妙的"一石二鸟"策略不仅通过调节折射率提升光固化效率，更利用涂层自身作为液相烧结助剂，在高温下促进原子扩散。相关成果发表在《Journal of Alloys and Compounds》，为高性能复杂结构陶瓷的制备提供了新范式。

研究团队采用共沉淀法在α-Si₃
N₄
粉末表面沉积Mg(OH)₂
/Y(OH)₃
前驱体，经煅烧转化为非晶态MgO-Y₂
O₃
包覆层（含量5-15 wt.%），通过激光粒度仪、XRD和TEM表征包覆效果；配制光敏陶瓷浆料后，采用流变仪测试粘度，通过固化深度测试系统评估光固化性能；最终打印坯体经脱脂烧结后，采用阿基米德法测定密度，SEM观察微观结构。

Preparation of MgO-Y₂
O₃
层 coating Si₃
N₄
powders
共沉淀法成功制备不同包覆量的改性粉末，D50从原始1.04 μm增至1.93 μm（Mg-Y15），XRD显示包覆层为非晶态，TEM证实Mg/Y元素均匀分布在颗粒表面。

Characterization of Si₃
N₄
powder processed by chemical precipitation
随着包覆量增加，浆料粘度从原始0.42 Pa·s升至0.68 Pa·s（Mg-Y15），但仍满足DLP打印要求；固化深度在Mg-Y10时达峰值107 μm，较原始粉末提升33%，归因于MgO-Y₂
O₃
层降低树脂/粉末折射率差（从Δn=0.53降至0.31）。

Conclusion
10 wt.%包覆量样品展现出最优综合性能：烧结体相对密度达96.2%，β-Si₃
N₄
晶粒长径比显著提高，形成互锁结构。非晶包覆层在烧结中形成低熔点液相，既促进致密化又保留高热导率特性。

这项研究突破性地将粉体改性与烧结助剂功能集成于单一包覆层，避免了传统混料法的成分偏析问题。其创新价值在于：工艺上，开发出可同步优化光固化与烧结行为的"双功能"涂层；理论上，阐明折射率调控与液相烧结的协同机制；应用上，为DLP成型高难度陶瓷材料提供了普适性解决方案。该技术有望拓展至其他难加工陶瓷体系，推动复杂构件在热管理、植入器械等领域的应用。