引言：2020年10月，由HRL實驗室開發的陶瓷樹脂材料搭載天鵝座無人補給飛船交付國際空間站，並以高分辨率成功實現3D打印成型。這種由碳氧化矽增強的陶瓷材料將在空間站發揮重要作用。

所有陶瓷零件，無論是傳(chuan) 統加工還是3D打印的，都具有微小的缺陷。當應力施加到該區域時，缺陷會(hui) 變成不受控製的裂紋，從(cong) 而導致整個(ge) 零件發生災難性破壞。將增強材料添加到陶瓷基體(ti) 中是創建耐缺陷零件的常用方法。

當前主流的陶瓷3D打印工藝無論是熔融沉積、光固化還是粘結劑噴射成型，都需要首先將打印生坯中的聚合物去除（脫脂），然後燒結陶瓷顆粒。而近來，聚合物矽氧烷基樹脂的發展使陶瓷3D打印帶來了新的發展契機，基於(yu) 該樹脂基體(ti) 打印的陶瓷生坯，可在高溫（700至1100℃）熱解循環後直接轉化為(wei) 致密零件，省去了漫長的脫脂和燒結步驟。而研究者所需要考慮的關(guan) 鍵因素在於(yu) ，陶瓷的低固有韌性會(hui) 在其加工過程中引入缺陷（如氣孔、未熔合、層間結合和表麵粗糙度），這些缺陷可能會(hui) 在結構上損害最終的陶瓷組件。

3D打印的陶瓷發動機零件進入窯爐

HRL實驗室3D打印的陶瓷複雜形狀同時具備極高性能

美國休斯實驗室（HRL Labs）在2016年就用3D打印工藝開發了可承受超過1700°C高溫、強度是類似材料十倍的新型陶瓷，相關(guan) 研究被發表於(yu) 《Science》雜誌。自此之後，HRL的團隊一直致力於(yu) 這項技術研究，當前HRL在自由成形高韌性陶瓷方麵獲得了材料和工藝上的突破，能夠解決(jue) 陶瓷製造過程中缺陷的產(chan) 生。

一種增韌解決(jue) 方案，使3D打印的陶瓷厚度和韌性分別提升3倍

HRL研究的挑戰在於(yu) 將增韌解決(jue) 方案與(yu) 3D打印過程結合在一起。為(wei) 了解決(jue) 陶瓷材料的固有脆性，HRL實驗室的團隊開發了一種新型的纖維增強陶瓷基複合材料。通過將光引發劑和碳氧化矽（SiOC）材料的混合物引入矽氧烷基樹脂，配製了新的陶瓷前驅體(ti) 。經過熱解極端加熱過程，3D打印的陶瓷增強前驅體(ti) 材料可直接轉化為(wei) 碳矽氧化物（SiOC）陶瓷。

研究人員利用Prodways ProMaker L5000工業(ye) 打印機製造了一係列1.25×2.5×15mm的樣品，來進行評估和優(you) 化配方。經過大量的表征測試，該團隊發現陶瓷顆粒具有非常好的分散性，但打印部件的拉伸強度卻不同尋常。

Prodways ProMaker L5000基於(yu) DLP工藝

研究發現，較厚的樣品比較薄的樣品更容易開裂，聚合物在熱解過程中會(hui) 伴有揮發性物質釋放，而揮發物必須通過基體(ti) 擴散才能從(cong) 自由表麵逸出。因此溫度分布、樣品幾何形狀和基體(ti) 擴散係數是防止基體(ti) 內(nei) 孔隙形成的重要因素。HRL團隊隨後確定了可以達到增強水平的“最佳點”。添加過多的增強元素將超過其“填充極限”，零件強度會(hui) 降低；而添加量不足，則可能使陶瓷開裂。

與(yu) 此同時，研究團隊指出增強體(ti) 的加入有兩(liang) 個(ge) 主要作用：隨著顆粒濃度的增加，可成型的陶瓷最大壁厚增加了3倍，而且打印的陶瓷韌性也提高了3倍以上，彎曲強度在225-325MPa之間。由於(yu) 具有與(yu) 傳(chuan) 統加工陶瓷相當的韌性、強度和強度變化性，因此所提出的增材製造方法可自由製造高性能陶瓷定製組件。

陶瓷3D打印工藝的挑戰與(yu) 未來市場

與(yu) 金屬和聚合物相比，許多陶瓷的極高熔點對增材製造提出了挑戰。由於(yu) 陶瓷不易鑄造或機加工，因此3D打印可實現幾何靈活性的巨大飛躍。HRL所開發的陶瓷前樹脂體(ti) 係可以使用目前商業(ye) 化的立體(ti) 光刻3D打印機進行成型，且零件在熱解過程中具有均勻收縮率，最終陶瓷零件內(nei) 部幾乎沒有孔隙。這為(wei) 創建具有複雜形狀的高性能陶瓷部件創造了可能。

汽車上的高性能陶瓷產(chan) 品

3D打印的陶瓷醫療植入物

陶瓷3D打印也被視為(wei) 在極限環境下使用的顛覆性創新技術，它可以滿足對高溫材料（如超高溫陶瓷）和複雜幾何形狀的需求。但是，目前缺乏可低成本和大規模生產(chan) 的3D打印工藝來進行高強度和耐損傷(shang) 陶瓷的生產(chan) 。早期采用陶瓷增材製造的一個(ge) 吸引人的領域是小型無人機的低成本發動機開發，它可以顯著提高發動機的性能。在這些應用中，較高的組件故障風險具有相對不重要的影響，可以視為(wei) 原型設計和加速迭代的測試平台。

盡管一些公司已經開發出了完整的陶瓷3D打印技術，但截至目前，陶瓷相對於(yu) 其他材料的3D打印仍然非常小眾(zhong) ，屬於(yu) 新興(xing) 技術領域。據SmarTech分析公司發布的最新《陶瓷快速成型零件生產(chan) ：2019-2030年》顯示，隨著所有主要的陶瓷增材製造技術的全麵發展，並建立起足夠的係列化生產(chan) ，陶瓷3D打印市場將在2025年後迎來一個(ge) 拐點。屆時，一大批公司和行業(ye) 將受益於(yu) 該技術。到2030年，陶瓷增材製造市場的收入估計將達到48億(yi) 美元。