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2025
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知识解读丨表面张力对于陶瓷浆料以及烧结工艺的影响
作者：
表面张力是液体表面因分子间相互作用力不平衡而产生的一种收缩趋势，表现为液体表面分子受到内部分子的引力作用，导致表面层分子被拉向液体内部，从而形成沿表面切线方向的宏观力；这种力使液体尽可能缩小表面积（如水滴呈球形），并支持昆虫在水面行走或引发毛细现象。
表面张力示意图
在陶瓷3D打印中，表面张力是贯穿流程的核心因素。奇遇科技作为在陶瓷3D打印行业深耕十年的研发型企业，自然也对表面张力这一现象有着深入的研究。从浆料调配到高温烧结，表面张力通过调控物质界面行为，调控着陶瓷的微观组织与宏观性能：成型阶段，它对陶瓷浆料的铺展特性与颗粒排布起到重要作用，在一定程度上决定坯体均匀性及致密度；烧结过程中，表面张力又会对陶瓷晶粒的生长和微观结构的形成产生重要影响。因此在陶瓷3D打印中，对表面张力的研究至关重要。
浆料流动性与铺展控制
在要求精度越来越高的现代陶瓷制造的大环境下，陶瓷浆料作为一种特殊的液体体系，其行为在很大程度上受到表面张力的影响。
表面张力通过调控浆料的润湿性和液膜扩展行为，直接影响成型精度。它试图使浆料表面达到最小的面积，从而使其更加稳定。这种稳定性在成型过程中至关重要，因为它直接影响到陶瓷坯体的最终形状和精度。例如，在DIW喷墨打印中，表面张力过高会导致墨滴拖尾形成拉线缺陷，而过低则可能产生卫星状墨滴，降低图案分辨率。
改性陶瓷喷墨浆料样品制备
气泡排除与致密化促进
表面张力还在去除浆料中的气泡方面发挥着重要作用。在成型过程中，气泡的存在会严重影响到陶瓷坯体的质量和性能。表面张力促使浆料中的气泡迁移至表面并破裂。例如，在注浆成型时，表面张力较低的浆料能更高效排出微米级气泡，使坯体密度提升至理论值。此外，表面张力驱动颗粒紧密排列，形成低孔隙率的坯体结构，为后续烧结奠定基础。
陶瓷喷墨浆料改性前 (a)、(b)、（c）和改性后 (d)、(e)、（f）样件及釉面扫描电镜照片
陶瓷烧结过程中表面张力的作用与机制
在陶瓷烧结过程中，表面张力是推动物质迁移和致密化的核心物理驱动力。烧结的本质是通过减少颗粒表面能实现系统能量最小化。粉体颗粒表面因曲率差异产生蒸气压差，驱动物质从凸面向凹面迁移。例如，在氧化铝烧结中，表面张力通过固相扩散传质促使颗粒接触处形成键合，降低气孔率并提升坯体密度。
烧结初期，表面张力促使颗粒接触界面形成颈部结构，通过表面扩散实现颗粒重排和初步致密化；中期则驱动物质传递（如固相扩散或液相粘性流动），加速气孔闭合和晶界迁移，使坯体密度提升至理论值。例如，Al₂O₃陶瓷因表面能与晶界能差异显著，更易通过扩散传质实现致密化，而Si₃N₄等共价键材料因表面能高、晶界能低，需依赖添加剂或高压辅助烧结。液相烧结中，表面张力与熔体润湿性协同作用：当液相润湿固相时，表面张力通过溶解-沉淀机制促进物质迁移。烧结后期，表面张力需与晶界钉扎效应平衡，抑制异常晶粒生长，避免强度下降。
此外，表面张力的精准调控还可通过气氛、压力及动态监测实现，为高性能陶瓷的微观结构设计和工艺优化提供科学依据。
结语
在陶瓷研发过程中，合理利用和控制表面张力是提升陶瓷性能的关键之一。通过调整浆料、优化烧结工艺等方式，可以有效地调控表面张力的大小和作用方式，从而实现陶瓷性能的优化与提升。这种基于表面张力的陶瓷性能调控方法，不仅具有理论上的可行性，也已经在实践中取得了良好的效果。
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