增塑剂调控SLA 3D打印莫来石陶瓷的翘曲变形与物理性能研究

针对立体光刻(SLA) 3D打印陶瓷过程中翘曲变形导致精度下降的难题，研究人员通过引入PEG-200增塑剂，系统探究了SiO2 /Al2 O3 浆料流变特性及增塑剂含量对烧结体形貌与性能的影响。研究发现25 wt% PEG-200可使翘曲偏差降至0.031 mm，并在1550°C烧结时获得密度2.63 g·cm?3 、抗弯强度150.14 MPa的莫来石陶瓷，为高精度结构陶瓷制备提供了新策略。

　　

在高温材料领域，多孔莫来石陶瓷因其优异的热导率和抗蠕变性成为热防护系统的理想选择。然而传统制备方法如泡沫凝胶共铸法、微波加热等技术受限于模具依赖性和低精度，难以满足复杂几何构件的需求。立体光刻(SLA)技术虽能实现高精度成型，但打印过程中普遍存在的翘曲变形问题严重制约了陶瓷部件的性能表现。安徽工程大学团队在前期研究中发现，即使采用原位反应烧结法，打印件仍会出现明显形变，这一现象与光聚合过程中的应力分布不均密切相关。

为攻克这一技术瓶颈，Tianyang Meng和Haiqiang Ma领衔的研究团队在《Materials Chemistry and Physics》发表论文，创新性地提出通过增塑剂调控策略来优化陶瓷浆料性能。研究采用旋转流变仪分析不同分散剂(BYK110等)对SiO₂
/Al₂
O₃
浆料粘度的影响，结合数字光处理(DLP)打印技术制备坯体，系统考察了PEG-200含量(0-25 wt%)对烧结体形貌、相变及力学性能的作用规律。通过X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)表征相组成与微观结构，采用三点弯曲法测试力学性能。

材料与方法
研究选用粒径1μm的球形Al₂
O₃
和SiO₂
粉末，通过对比BYK系列分散剂筛选出最佳流变性能配方。采用60 vol%固含量浆料进行SLA打印，PEG-200添加梯度为5-25 wt%。烧结温度设定为1350-1550°C，通过阿基米德排水法测定密度，维氏硬度计评估力学性能。

流变特性研究
BYK110分散剂使60 vol%固含量浆料在100 s^-1
剪切速率下粘度降至1.2 Pa·s，呈现典型剪切稀化行为。这种非牛顿流体特性满足SLA打印对浆料流动性的要求，为后续增塑剂研究奠定基础。

翘曲变形调控
25 wt% PEG-200使打印坯体尺寸偏差(ΔD)降至0.031 mm，较未添加组降低82%。机理分析表明，增塑剂通过促进聚合物链段运动，有效缓解了光聚合过程中的内应力集中。

烧结性能优化
1550°C烧结时，25 wt% PEG-200样品完成莫来石相完全转化，晶粒尺寸均匀分布在2-5μm。该组试样体积密度达2.63 g·cm^-3
，抗弯强度150.14 MPa，较对照组提升35%，维氏硬度同步提高至12.6 GPa。

结论与展望
该研究首次阐明增塑剂含量与SLA陶瓷打印精度的定量关系，证实PEG-200通过双重作用机制改善性能：一方面优化浆料流变性保障打印质量，另一方面通过应力重分布抑制烧结变形。所建立的工艺窗口可实现<50μm尺寸公差，为航空航天领域复杂结构陶瓷件制造提供新思路。未来研究可拓展至其他氧化物陶瓷体系，并探索增塑剂分子量与官能团的协同效应。