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2026
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09
行业新知丨DLP打印Al₂O₃/ZrO₂层状陶瓷：强度突破700 MPa，比单材料高出一倍以上
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DLP光固化打印陶瓷的强度，长期受制于工艺缺陷与各向异性：同一批浆料、同一套测试标准，六家实验室做出的氧化铝特征强度能从225 MPa散到378 MPa，普遍低于传统工艺的375 MPa。捷克科学院物理材料研究所与布尔诺理工大学的研究团队用同一批商业浆料，把固化能量、打印取向与多材料层状结构逐一验证：多材料层状件强度突破700 MPa，比单材料高出一倍以上，同时也把界面交叉污染等新缺陷暴露了出来。这篇2026年9月发表于 Journal of the European Ceramic Society 的研究，给出了一批可直接用于工艺调试的量化结论。
一、"能打印"与"够可靠"之间还差什么
陶瓷增材制造在快速原型、小批量结构件与医疗植入体定制上已经站住脚，其中精度最高的路线是VPP（光固化成形），包括SLA与DLP，能实现小于150 μm的薄壁、精细特征与高致密度。问题出在可靠性：打印件引入了传统陶瓷工艺中不存在的新缺陷来源，缺陷群体直接决定了强度水平和数据离散度。
打印取向已被多轮实验室间比对认定为最强的失效模式预测因子之一，它同时影响失效模式、Weibull模数与特征强度。此外，悬浊液中的气泡会在成形件里形成贯穿多层的“虫洞”和单层内的盘状孔，这类不规则缺陷用理想圆孔模型很难描述。
这项研究把问题拆成三段并行推进：先用生坯强度反推最优固化能量；再在最优参数下比较水平与竖直两种打印取向；最后打印Al₂O₃/ZrO₂多材料层状件，考察收缩失配、缺陷形成与交叉污染。对陶瓷3D打印而言，这种贯穿“工艺—缺陷—性能”的链条式验证，比单点报一个强度值更有参考价值。
图1 · 实验设计示意：断裂韧性加载方式、试样几何与打印取向（a），以及刚打印完成、仍附着在平台上的试样（b）
二、固化能量：最优取值落在 200 mJ/cm²
对陶瓷3D打印的工艺调试来说，用生坯强度快速筛选参数是个低成本办法。研究先用生坯（未脱脂烧结的打印体）做三点弯曲，作为筛选打印参数的快速手段。能量在100~400 mJ/cm²范围内变化：100 mJ/cm²明显不足，不加粘接层时与打印平台的附着太差；200 mJ/cm²对应最高的平均生坯强度，后续所有试验都固定在这一能量。
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表1 · 不同固化能量下生坯的抗弯强度与Weibull模数
能量给多了不只是浪费。到400 mJ/cm²时，试样的柔韧性下降15%，强度也随之降低；更关键的是尺寸精度：由于光散射导致的侧向过固化（横向“渗光”），从200提高到400 mJ/cm²，横向尺寸增大最多4.5%，这相当于超过6个打印像素的偏差，对精度的影响不可忽略。有意思的是，更高的强度恰好对应更好的尺寸精度，说明这两个目标在这一点上并不冲突。
图2 · 生坯抗弯强度（a）与试样厚度、宽度（b）随固化能量的变化，图中标注平均值与标准差
三、打印取向：平均强度相近，Weibull模数相差约70%
固定200 mJ/cm²后，研究对比了两种取向：层平面垂直于加载方向（水平，H）与层平面平行于加载方向（竖直，V）。结果有点反直觉——两者的平均强度差异在统计上并不显著，但竖直取向的Weibull模数几乎是水平取向的两倍，意味着数据一致性明显更好、可靠性更高。
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表2 · 烧结氧化铝在不同打印取向下的抗弯强度与断裂韧性（三点弯曲 / Chevron缺口梁法）
断口分析解释了离散度的来源。水平试样的断裂几乎都从表面孔起裂，而且孔径分两档：高强度试样（如HS4-4）起裂于与层厚相当的细小圆孔；接近特征强度的试样（HS4-10）起裂于深度仅一层、横向尺寸却很大的盘状孔；最弱的试样（HS4-7）则起裂于贯穿数层的“虫洞”。竖直试样的起裂点则多是来源不明的表面缺陷，或脱脂、烧结阶段形成的层间裂纹，也出现了多源起裂导致强度下降的情况。
这种两档孔径分布让强度的Weibull分布出现系统性偏离——缺陷尺寸被层厚“限位”了，小缺陷不超过一层，大缺陷则是层厚的整数倍，形成近似双峰的缺陷群体。这也是DLP打印陶瓷的强度分布很难用单一Weibull参数描述的原因。
图3 · 抗弯强度随打印取向的变化（a）与对应的Weibull图（b），图中标注了后续断口分析的试样
图4 · 水平（左）与竖直（右）打印试样的断口形貌：起裂源包括表面圆孔、单层盘状孔、贯穿多层的虫洞、表面凹谷、表面层间裂纹与多重表面缺陷
四、倒角：一个几何细节换回约100 MPa
研究初期打印的是直角棱边试样（HS0），后来把棱边改成半径0.25 mm的圆倒角（HS4）。这一改动让平均抗弯强度从 246 ± 56.7 MPa 提升到 336 ± 55.8 MPa，Weibull模数从4.4升到7.6。原因是棱边同时叠加了应力集中与打印缺陷（浸没、剥离过程中更容易在锐边形成缺陷），成为优先起裂位置。
改用打印成形的圆倒角后，断裂不再从试样棱边起裂——这一点与常规机加工倒角的试样表现不同，后者棱边往往仍是典型起裂点。对陶瓷3D打印的产品设计来说，这意味着把圆角直接印出来，比后期机加工更有利于强度与一致性。
五、断裂韧性：与强度取向偏好正好相反
用Chevron缺口梁法测得的断裂韧性，趋势与抗弯强度相反：裂纹垂直于打印层面扩展时韧性最高（4.9 ± 0.3 MPa·m¹ᐟ²），而在水平取向下只有4.1 ± 0.4 MPa·m¹ᐟ²，且离散度更大。失效试样（加载曲线异常）普遍伴随层间裂纹，说明层间界面显著干扰了从Chevron缺口开始的起裂与扩展过程。
强度与韧性对取向的偏好不一致，这给设计提了个难题：取向要按实际主载荷性质来选，而不是简单追求“最强”。如果构件主要承受弯曲、对强度数据一致性要求高，竖直取向更合适；如果抗裂纹扩展能力是首要指标，则要让裂纹走向垂直于层面。
图5 · 断裂韧性随打印取向的变化（a）与部分试样断口的光学照片（b），空心符号为无效数据
六、多材料层状件：强度提升至700 MPa，但界面缺陷浮出水面
第三段实验把Al₂O₃与3Y-ZrO₂按三种层厚比交替打印（1:2、1:1、2:1），用两种固含量接近的商业浆料（49 vol% 与 48 vol%）以保证共烧结兼容性。结果层状件的抗弯强度全面高于单材料氧化铝：
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表3 · 多材料层状件的抗弯强度与残余应力估算（应力为指示性数值）
强度提升有两个来源：氧化锆本身的强度更高，以及共烧结冷却过程因热膨胀系数失配产生的残余应力。按经典层合板理论估算，氧化铝层承受压应力（最高约−817 MPa），氧化锆层承受拉应力（最高约+697 MPa）。不过作者明确提醒：实际应力状态对材料热膨胀系数极为敏感，这些数值只能作为指示，精确预测需要打印试样的膨胀仪表征。
真正的看点在于缺陷。断口分析发现，多材料打印暴露出了一批单材料打印中难以察觉的问题：交叉污染——换缸清洗不彻底，氧化锆颗粒残留在氧化铝层里，且集中在前半层厚范围内；层厚不均与表面起伏；棱边处层变形，形成人为应力集中；清洁纸巾纤维残留——有机纤维在脱脂烧结中分解蒸发，留下贯穿数层的长条孔，孔壁上还能看到纤维印痕；以及缺口被另一种材料回填，在下方材料层中形成凹陷。
图6 · 多材料层状件的抗弯强度对比（a）与层状件断口形貌（b）：氧化铝层（暗相）中可见氧化锆颗粒（亮相），打印后期交叉污染明显加重
图7 · 层状件断口上的典型缺陷：单层盘状大孔（a）、层厚不均与交叉污染（b）、棱边层弯曲（c）、大孔周围的损伤（d）、孔洞细节（e）、孔隙被另一种材料回填（f）
由此得到的工艺要求很明确：多材料DLP要可靠，必须让多种浆料的流变特性、固含量与固化行为相互匹配——流变接近才能有效清洗、避免未固化浆料混杂；固含量相当（49 与 48 vol%）才能让脱脂收缩接近、共烧结顺利；固化特性相近才能避免一种材料过固化、另一种固化不足造成的表面起伏。此外还需要一套能彻底消除交叉污染的清洗流程。
七、结语
这项研究的方法学价值在于把“工艺参数—缺陷群体—力学性能”串成了一条可验证的链条，而不是单独报一个强度值，这正是陶瓷3D打印从“可成形”走向“可可靠应用”最需要的证据形式。三个可直接落地的结论：
① 固化能量取200 mJ/cm²，兼顾生坯强度与尺寸精度，超过这个值不光强度回落，横向尺寸还会因过固化增大4%以上；
② 把圆倒角直接打印出来，抗弯强度可回收约100 MPa、Weibull模数接近翻倍；
③ 取向按主载荷选，因为强度与断裂韧性对取向的偏好相反。
研究也划清了边界。烧结件的强度约350 MPa，与其他3D打印报道相当，但仍略低于传统工艺制备的氧化铝；多材料方案虽然把强度提升到700 MPa量级，可靠性的短板却转移到了界面缺陷与交叉污染上。作者同时指出，目前多材料结构陶瓷的组合仍局限于热物性相近的材料体系（如ZTA与氧化铝、氧化锆的搭配），要把多材料DLP真正做成可靠的工程方案，还需要精确的热膨胀数据支撑和更严格的清洗工艺。
Chlup Z, Štástný P, Hadraba H, Šiška F, Bertolla L, Ševeček O, Mařák V, Drdlík D. Effects of DLP 3D printing conditions on strength and fracture toughness of Al2O3/ZrO2 ceramics. Journal of the European Ceramic Society. 2027;47:118850. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2026.118850
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