多材料直接墨水书写与钆氧化物—氧化锆组件的共烧结

逐层构建更耐用的部件

从喷气发动机到核反应堆，许多高科技系统需要能在极端高温下不裂开的陶瓷部件。工程师希望用多种陶瓷来制造这些部件，以便在同一件构件的不同区域微调热传导或辐射吸收等性能。本文研究如何用三维打印制造这样的多材料陶瓷部件，并通过热处理使它们在收缩时协同一致而不是互相撕裂。

为何混合陶瓷如此困难

当两种不同的陶瓷结合后再加热时，它们很少会表现一致。每种材料在不同温度开始致密化，收缩量不同，且在加热和冷却过程中膨胀与收缩的速率各异。如果这些变化不同步，界面会受到拉伸和压缩，最终产生裂纹。这一问题阻碍了多材料陶瓷构件的应用，尽管在诸如先进核燃料等领域，它们可通过将吸收中子的区域与导热良好的燃料区域有选择地组合来显著提升性能。

将3D打印墨水当作调节旋钮

研究团队使用直接墨水书写，这是一种通过挤出含陶瓷粉末的糊状物逐层构建“生坯”的3D打印方法。他们使用两种氧化物：吸收中子的钆氧化物，以及作为铀氧化物燃料安全替代物的氧化锆。研究者并不接受原始粉末的固有特性，而是将可印刷的墨水本身视为工程工具。通过调节墨水中粉末的装填量、粒子尺寸以及加入的聚合物量等因素，他们可以控制每种材料在烧结过程中何时以及以多快的速度收缩。对粒子在水中的电荷以及在剪切下的流动行为进行精确测量，帮助他们为两种陶瓷找到稳定且可打印的配方。

让两种截然不同的陶瓷同步收缩

接着，作者系统地研究加热曲线如何影响收缩。他们记录小试件在不同升温速率和峰值温度下的长度变化，寻找两种陶瓷达到近似相同最大收缩量和收缩速率的条件。一个关键调整是降低峰值温度，以避免氧化锆发生晶体结构变化而导致的尺寸跃变。通过优化的烧制曲线和定制的墨水配方，他们将两种纯材料之间的整体不匹配减少了一半以上，降至约5%。他们还发现早期的“烧出”阶段——有机物和氢氧化物相被去除的阶段——尤为脆弱：即便约1%的不匹配也可能足以在此阶段导致易碎部件出现裂纹。

渐变混合反而可能更糟

看似自然而然的做法是通过打印两者的逐渐混合层来缓和材料间的应力，而不是形成尖锐界面。团队通过打印夹心结构进行了测试，混合层含有不同比例的两种墨水，位于纯材料层之间。他们随后跟踪这些混合物的收缩并检查实际打印件在烧结后是否完好。令人惊讶的是，这些混合物的行为常常与简单的端元平均值大相径庭。在高温下，两种氧化物互相扩散并形成新的固溶相，这些相的收缩要小得多或在不同温度才开始收缩。结果是更高的内部应变、畸变形状（例如中部几乎不收缩的“桶状”块体），以及可见的裂纹和沿界面的显微裂纹。

面向未来多材料陶瓷的设计规则

研究结论认为，对于这类氧化物组合，最稳妥的路线不是依靠平滑的成分梯度来掩盖材料差异。相反，应当将每种纯材料墨水工程化，使它们的烧结行为高度匹配，然后用清晰、离散的界面将它们连接。作者表明，得益于高温下的一定粘弹性松弛，部件在整体烧结过程中可以容忍几个百分点的不匹配，但早期的烧出阶段要求更严格的控制。这些发现为工程师提供了一个实用的操作手册，用于设计从窑中出来后致密、完整并能胜任高强度服务的多材料陶瓷构件。

引用: Snarr, P.L., Cramer, C.L., Cakmak, E. et al. Multi-material direct ink writing and co-sintering of gadolinium oxide – zirconium oxide components. npj Adv. Manuf. 3, 12 (2026). https://doi.org/10.1038/s44334-026-00073-0

关键词: 多材料陶瓷, 直接墨水书写, 共烧结, 核燃料材料, 增材制造