行业新知丨面向复杂陶瓷型芯制造的浆料固含量优化及其对缺陷控制的影响

作者：

通过计算流体动力学模拟与实验验证，研究团队揭示了浆料固含量如何通过调控铺展流变行为，从根本上改善光固化3D打印陶瓷型芯的层状结构、减少裂纹与孔隙，为高性能复杂陶瓷部件的增材制造提供了关键工艺优化策略。

航空发动机和燃气轮机里面的单晶高温合金空心叶片需要耐高温、抗蠕变性能。这些叶片的内部，往往布满了精妙复杂的冷却通道，其成型的关键在于“内芯”——陶瓷型芯。传统热压注工艺在制造复杂结构型芯时，常面临模具成本高昂、开发周期漫长、尺寸精度难以保证等瓶颈。

光固化3D打印技术（如DLP、SLA）的出现，为复杂陶瓷型芯的一体化、无模具成型带来了曙光。然而，这项技术固有的“逐层累加”特性，也带来了新的挑战：打印过程中，每一层浆料的铺展、流平与固化，都会在最终部件中留下“记忆”，形成层状结构。这种结构若控制不当，极易导致孔隙分布不均和微裂纹等缺陷，严重影响型芯在后续高温烧结和使用过程中的强度与可靠性。

长期以来，工程师们都知道，制备浆料的固含量（陶瓷粉末在浆料中的体积分数）是一个关键工艺参数。但固含量究竟如何影响层层叠加的过程？它又是通过何种物理机制，最终决定了陶瓷的内部质量？这些问题一直缺乏清晰、定量的解释。

近期，中国科学院金属研究所先进材料石昌旭创新中心李金国研究员带领团队在《Journal of the European Ceramic Society》期刊上发表了题为《Strategy for optimizing the microstructure of 3D printed ceramic cores: Slurry solid loading and flow》的研究，他们采用 “计算流体动力学（CFD）模拟 + 实验验证” 的创新方法，系统探究了固含量对光固化3D打印陶瓷型芯微观结构的调控机制。

一、核心挑战

光固化3D打印陶瓷的过程，可以简化为“铺浆-曝光-固化-抬升”的循环。其中，“铺浆”步骤——即新一层浆料被刮刀或辊子铺展到已固化层表面的过程——是决定层间结合质量和层内均匀性的最关键环节之一。

图1：不同固含量（45 vol.%, 55 vol.%, 65 vol.%）陶瓷浆料的粘度曲线。随着固含量增加，浆料粘度显著上升，这是影响其铺展流变行为的根本物理属性。

如图1所示，浆料的粘度随固含量升高而急剧增加。高粘度浆料流动性差，似乎是个不利因素。但研究团队敏锐地意识到，铺展过程中的流场细节，远比静态粘度复杂。刮刀推动下的浆料流动，会形成复杂的流场，其中可能存在层流区、涡流区等不同区域。这些区域的分布和尺度，直接影响了陶瓷颗粒的排布方式，从而在微观上“雕刻”出最终的层状结构。

为了透视这一“黑箱”过程，研究团队迈出了关键一步：对铺展过程进行高保真的CFD数值模拟。

二、模拟透视：固含量如何“导演”浆料流动？

研究者建立了与实际打印过程相符的二维CFD模型，模拟刮刀以恒定速度推动不同固含量浆料向前铺展的过程。他们重点关注了流场中的速度、压力和温度分布，特别是层流核心区的宽度。

图2：不同固含量浆料铺展过程的CFD模拟流场对比（速度云图）。左图为低固含量（如40 vol.%），可见中部宽阔的蓝色层流区；右图为高固含量（如65 vol.%），层流区显著变窄，浆料流动更接近整体剪切运动。

图2的模拟结果揭示了随着浆料固含量从40 vol.%增加到65 vol.%的规律。1. 层流区宽度显著缩小：低固含量浆料在铺展时，中部存在一个宽阔的、速度梯度很小的层流区。在这个区域内，浆料像“整体平移”，颗粒相对运动弱。2. 流动行为趋于均匀剪切：高固含量浆料则不同，宽阔的层流区几乎消失，整个浆料层在刮刀作用下更接近一个整体受剪切而流动的状态。这意味着浆料内部的运动更协调，流动时间更短。

这背后的物理机制是什么？ 低粘度（低固含量）浆料更容易被刮刀“推开”，并在惯性作用下向前“流淌”较远距离，形成宽阔的层流区。而高粘度（高固含量）浆料“更黏稠”，刮刀的作用力能更直接地传递到整个浆料层，使其迅速铺开，减少了内部的不协调流动和颗粒迁移的时间窗口。

模拟指出了一个关键线索：高固含量带来的“窄层流区”和“短流动时间”，可能有利于形成更均匀的浆料层。接下来，需要实验的检验。

三、实验验证：从流动到结构的“证据链”

研究团队制备了固含量从45 vol.%到65 vol.%的系列熔融石英基陶瓷浆料，在优化后的打印参数下制备了样品，并通过扫描电子显微镜（SEM）等工具进行了细致的微观结构分析。

图3：不同固含量打印陶瓷型芯的断面SEM照片对比。(a, b) 低固含量样品，可见明显的、不均匀的层状结构（如波浪线），存在贯穿多个层的纵向裂纹（黄色箭头）和沿层间分布的孔隙梯度线（白色虚线）。(c, d) 高固含量样品，层状结构变得平坦、均匀，纵向裂纹消失，转变为更细小的层间裂纹（红色箭头），孔隙也变为分散的层内大孔隙。

图3的对比效果完美印证了模拟的预测：- 层状结构的“熨平”效应：低固含量样品（图3a,b）的断面呈现出明显的、起伏不平的层状条纹，而高固含量样品（图3c,d）的层状结构则变得非常平坦、均匀，层与层之间的界限变得模糊。这正是“窄层流区”和均匀剪切流动导致颗粒均匀、快速排布的直接结果。- 裂纹的“改道”与抑制：更惊人的是裂纹形态的转变。低固含量样品中，出现了危害性极大的纵向裂纹（黄色箭头），这种裂纹垂直于层面向内延伸，极易导致部件整体开裂。而在高固含量样品中，纵向裂纹基本消失，取而代之的是被限制在两层之间的、较短的层间裂纹（红色箭头）。这是因为高固含量浆料形成的层间界面更为致密、结合更强，有效抑制了裂纹的纵向扩展。- 孔隙的“转型”：孔隙分布也发生了演变。低固含量时，孔隙倾向于在层间富集，形成一条连续的“孔隙梯度线”（白色虚线）。高固含量时，这种梯度线消失，孔隙变为分散在层内部的、尺寸稍大的孤立孔隙。这种转变与浆料流平性和颗粒堆积密度有关。

图4：高倍SEM下高固含量样品层间界面的微观形貌。可见界面处陶瓷颗粒堆积致密，无明显缝隙或薄弱带，这解释了为何层间结合强度高，裂纹难以纵向扩展。

图4的高倍电镜图进一步揭示了高固含量下层间界面高度致密化的微观证据，从本质上解释了裂纹行为转变的原因。

至此，一条完整的 “工艺参数-物理过程-微观结构-最终缺陷” 调控链条被清晰地建立起来：

提高浆料固含量 → 增加浆料粘度 → 改变铺展流场（缩小层流区，缩短流动时间） → 促进颗粒均匀快速排布 → 获得均匀平坦的层状结构与致密层间界面 → 抑制纵向裂纹，促使裂纹“改道”为层间裂纹，并改变孔隙分布模式。

四、结论

这项研究的核心结论总结如下：1. 固含量是关键杠杆：浆料固含量是调控光固化3D打印陶瓷部件层状结构均匀性和缺陷类型的决定性工艺参数之一。2. 流变行为是核心桥梁：固含量通过改变浆料的流变性质，直接影响打印过程中铺展流场的特征（特别是层流区），这是连接工艺参数与最终微观结构的核心物理机制。3. 高固含量的优势：适当提高固含量（在本研究体系中指向65 vol.%），可以通过优化铺展流场，有效“熨平”层状结构、致密化层间界面，从而将破坏性的纵向裂纹转化为相对可控的层间裂纹，提升部件的结构完整性与可靠性。

行业新知丨攻克“吸光”难题，3D打印出纳米线增韧的高性能碳化硅陶瓷

应用实例丨奇遇科技 DIW精细直写3D打印设备论文发表汇总——下篇

行业新知丨攻克“吸光”难题，3D打印出纳米线增韧的高性能碳化硅陶瓷

应用实例丨奇遇科技 DIW精细直写3D打印设备论文发表汇总——下篇