目前光固化3D打印技术因打印成型精度高而被广泛应用于陶瓷增材制造, 其中非氧化物陶瓷如碳化硅、氮化硅等因打印材料粉体折射率和吸光度比较高, 光固化陶瓷浆料存在分散稳定性差、入射光难穿透并产生光固化反应的固化层厚度低等问题, 导致其固含量很难提高甚至于无法打印成型。高固含量的非氧化物陶瓷打印成型成为光固化3D打印的主要难点, 吸引了广大学者对其光固化机理、粉体调控等机制进行研究。本文系统地总结了几种非氧化物陶瓷光固化浆料的制备、光固化成型、有机物去除及烧结致密化的研究工作, 并就如何对光敏树脂组成进行调节、对陶瓷粉体进行改性的几种方法进行分析与讨论, 针对性地提出创新方案来改善非氧化物陶瓷的浆料性能、光固化打印优化和致密化缺陷修复及性能提升, 最终推动大尺寸、复杂结构的非氧化物陶瓷部件光固化增材制造高精度制备技术的进步。

光固化3D打印是制造高度复杂结构陶瓷的一种有效方法。打印的样件需要经历脱脂和烧结等热处理才能成为可用的陶瓷件, 脱脂工艺对打印件性能影响巨大。本工作通过研究脱脂工艺对DLP光固化3D打印制备的堇青石陶瓷性能的影响规律, 建立缺陷抑制策略。比较并分析了脱脂气氛和升温速率对陶瓷样件的表面裂纹和元素分布状态的影响, 还对比进一步烧结后样件显微组织、尺寸收缩率、相对密度和弯曲强度等性能。研究发现脱脂气氛对样件各性能影响最大, 使用氩气脱脂可显著降低表面裂纹, 提高相对密度与弯曲强度; 并确定最佳升温速率为1 ℃/min。最终获得表面完整无裂纹且相对密度为(94.6±0.3)%, 弯曲强度为(94.3±3.2) MPa的堇青石陶瓷样件。本研究为光固化3D打印堇青石陶瓷的无缺陷制造与应用提供了科学依据与技术参考。

传统“荧光粉+有机硅脂”荧光转换体的热导率低, 且物理化学稳定性差, 不能应用于高功率白光LED领域。全无机荧光块体材料可以规避有机封装, 具有更高的热导率, 但这类材料面临着成本高且极难实现立体结构的问题。本工作基于非晶态纳米二氧化硅, 得到一种包含(Gd,Y)AG:Ce荧光粉、可在紫外光下固化的浆料, 并通过光固化成型、空气排脂、无压烧结, 制备了一种(Gd,Y)AG:Ce荧光粉-石英玻璃复合材料。该荧光玻璃陶瓷在蓝光激发下发射峰值位于575 nm的宽带橙黄光, 且内量子效率大于90%。研究结果表明, 在致密化烧结过程中, (Gd,Y)AG:Ce荧光粉与石英玻璃之间的界面反应非常微弱, 因此荧光粉能够完好地嵌入到石英玻璃中。该全无机荧光转换体可以用于封装相关色温小于4500 K、显色指数大于75和流明效率为74 lm·W^-1的高功率暖白光LED。所构建的激光照明器件的饱和激光功率密度可达2.84 W·mm^-2, 此时光通量为180 lm。此外, 所提出的制备方法与3D打印兼容, 可以批量化制造出具有复杂立体结构的荧光转换体。该技术有望推动高功率白光LED朝着个性化和模块化发展。

对于陶瓷立体光刻增材制造技术, 光敏树脂浆料的固含量发挥着重要的作用。本工作首先制备了不同固含量的Al₂O₃陶瓷浆料, 并采用立体光刻增材制造技术, 制备了Al₂O₃陶瓷, 并研究了Al₂O₃浆料的固含量与陶瓷性能的关联关系。其次, 探索了固含量对Al₂O₃浆料的流变行为、固化性能, 以及对Al₂O₃陶瓷的微观结构、力学性能的影响规律。结果表明, 随着固含量增加, 浆料的粘度和剪切应力均增大。在光固化增材制造过程中, 高固含量导致浆料的粘度高于其自流平的临界值, 且Al₂O₃浆料的固化性能与固含量高度相关。此外, 固含量明显影响光固化增材制造的Al₂O₃陶瓷的缺陷。这些制造缺陷对于Al₂O₃陶瓷的力学性能有重要影响。最后, 本工作总结了光敏Al₂O₃浆料的流变行为、固化性能与Al₂O₃陶瓷的微观结构和力学性能之间的关联关系。浆料的高粘度造成陶瓷的微观结构不均匀, 最终导致其力学强度较差。本研究结果可为陶瓷的光固化增材制造提供一定的参考。