一、研究背景與核心問題

多孔陶瓷憑借高比表面積、低導(dǎo)熱系數(shù)及優(yōu)異的氣液滲透性，在過濾、催化載體、隔熱等高溫苛刻環(huán)境中具有不可替代的應(yīng)用價值。粘結(jié)噴射（Binder Jetting, BJ）作為粉末基增材制造技術(shù)，為復(fù)雜形狀多孔陶瓷構(gòu)件的制備提供了新路徑，其無需額外支撐結(jié)構(gòu)、材料適應(yīng)性廣的優(yōu)勢顯著，但也面臨生坯強度不足、后處理（脫粉、燒結(jié)）易破損等技術(shù)瓶頸。

粘結(jié)劑作為 BJ 工藝的核心材料，其性能直接決定打印精度、生坯完整性及最終制品的力學(xué)強度與孔隙特性。對于光固化復(fù)合粘結(jié)劑而言，無機填料（如 SiO?顆粒）的分散穩(wěn)定性是關(guān)鍵控制因素 —— 若填料發(fā)生沉降或團聚，將導(dǎo)致粘結(jié)劑噴射不均、生坯內(nèi)部缺陷，最終影響燒結(jié)后制品的結(jié)構(gòu)一致性與力學(xué)性能。因此，精準表征并優(yōu)化粘結(jié)劑的分散穩(wěn)定性，成為解決復(fù)雜陶瓷構(gòu)件制備難題的核心環(huán)節(jié)。

Turbiscan 作為多光散射穩(wěn)定性分析技術(shù)，在材料分散體系表征中具有獨特優(yōu)勢，本文基于《Journal of Materials Research and Technology》2025 年發(fā)表的研究成果（Jong-Han Choi 等，Korea Institute of Ceramic Engineering and Technology），系統(tǒng)闡述 Turbiscan 在光固化復(fù)合粘結(jié)劑性能評估中的應(yīng)用，及其與粘結(jié)劑關(guān)鍵性能、陶瓷制品最終品質(zhì)的關(guān)聯(lián)。

二、Turbiscan 的檢測原理與實驗應(yīng)用

1. 檢測原理

Turbiscan 采用 880nm 近紅外光作為探測光源，通過同步測量樣品的透射光（T）與背散射光（BS）強度變化，實時追蹤分散體系中顆粒的沉降、團聚行為。其核心評價指標為 Turbiscan 穩(wěn)定性指數(shù)（Turbiscan Stability Index, TSI），TSI 值越高，表明體系中顆粒沉降或團聚越顯著，分散穩(wěn)定性越差；反之，TSI 值越低，分散體系越穩(wěn)定。該技術(shù)無需稀釋樣品，可實現(xiàn)對粘結(jié)劑墨水原位、非破壞性的長期穩(wěn)定性監(jiān)測，相較于傳統(tǒng)沉降觀察法，具有更高的靈敏度與量化精度。

2. 實驗應(yīng)用場景

本研究針對 BJ 工藝用光固化 HDDA-SiO?復(fù)合粘結(jié)劑，采用 Turbiscan設(shè)備評估不同分散劑濃度（0~2.0wt%）對 SiO?顆粒（平均粒徑 90nm）分散穩(wěn)定性的影響。實驗中，粘結(jié)劑樣品置于專用測量池內(nèi)，連續(xù)監(jiān)測其在放置過程中的光信號變化，最終通過 TSI 值量化體系穩(wěn)定性，為分散劑配方的確定提供數(shù)據(jù)支撐。

三、Turbiscan 檢測結(jié)果與分散穩(wěn)定性的關(guān)聯(lián)

研究結(jié)果表明，分散劑濃度對光固化復(fù)合粘結(jié)劑的分散穩(wěn)定性具有顯著調(diào)控作用（圖1）：

圖1. 分散劑濃度對穩(wěn)定性的影響

未添加分散劑時，粘結(jié)劑的 TSI 值高達 3.1，表明 SiO?顆粒因表面作用力易發(fā)生團聚與沉降，體系穩(wěn)定性極差；

隨著分散劑濃度增加，TSI 值逐漸降低，當分散劑濃度達到 1.5wt% 時，TSI 值降至最低（1.9），此時 SiO?顆粒在粘結(jié)劑中分散均勻，無明顯沉降或團聚現(xiàn)象；

當分散劑濃度超過 1.5wt% 時，TSI 值未進一步降低，反而因分散劑過量吸附導(dǎo)致顆粒纏結(jié)，輕微影響分散穩(wěn)定性。

圖2. 分散劑濃度與粘度關(guān)系曲線

結(jié)合粘度測試結(jié)果（圖 2），1.5wt% 分散劑濃度下粘結(jié)劑粘度達到值（5.84 mPa?s），既滿足打印頭噴射要求，又保證了分散穩(wěn)定性。這一結(jié)果驗證了 Turbiscan 檢測的可靠性 ——TSI 值與粘結(jié)劑流變性能存在強相關(guān)性，可作為粘結(jié)劑配方優(yōu)化的核心表征手段。

四、分散穩(wěn)定性與陶瓷打印關(guān)鍵性能的耦合關(guān)系

1. 對粘結(jié)劑噴射性能的影響

分散穩(wěn)定的粘結(jié)劑可避免 SiO?顆粒團聚導(dǎo)致的打印頭噴嘴堵塞，確保噴射過程的連續(xù)性與均勻性。研究中，1.5wt% 分散劑濃度下的粘結(jié)劑，其噴射 droplet 尺寸均一，打印形成的粉末層表面粗糙度僅為 5.08μm（未優(yōu)化體系為 34.7μm），顯著提升了打印精度。

2. 對生坯與燒結(jié)體力學(xué)性能的影響

分散均勻的 SiO?顆粒在光固化過程中可形成均勻的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，提升生坯強度。

圖3. 采用二氧化硅含量分別為（a）、（e）2.5 重量%，（b）、（f）5 重量%，（c）、（g）7.5 重量%，（d）、（h）10 重量%的氧化鋁粉體打印的物體的掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜分析（EDS）

實驗表明，均勻分布的 SiO?顆粒可作為 “橋接相” 促進氧化鋁顆粒間的頸部生長（圖 3），使用含 2.5 重量% SiO2 粘結(jié)劑打印的物體的微觀結(jié)構(gòu)表明，由于玻璃相形成不足，氧化鋁顆粒之間存在大量殘余孔隙。隨著圖 3b 至 d 中 SiO2 含量的增加，燒結(jié)過程中形成的液相部分填充了氧化鋁顆粒之間的孔隙，SiO2 填料導(dǎo)致的頸部形成更加明顯，從而形成了相對更致密的微觀結(jié)構(gòu)。這由于存在 SiO? 填料，氧化鋁顆粒之間的縮頸現(xiàn)象通過圖 4e 至 4h 所示的 EDS 分析結(jié)果得到了進一步證實。

3. 對孔隙特性的調(diào)控作用

穩(wěn)定的分散體系可避免顆粒團聚導(dǎo)致的孔隙分布不均。當 SiO?顆粒分散均勻時，燒結(jié)后制品孔隙率可達 60.78%，平均孔徑 3.96μm，既滿足過濾應(yīng)用的滲透性要求，又保證了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；而分散不穩(wěn)定的體系會出現(xiàn)局部致密區(qū)與大孔缺陷，顯著降低過濾效率。

五、分散穩(wěn)定性在陶瓷 3D 打印中的核心意義

保障工藝可靠性：分散穩(wěn)定的粘結(jié)劑可避免打印過程中噴嘴堵塞、層間結(jié)合不良等問題，降低工藝失敗率。研究中，基于 Turbiscan 優(yōu)化的粘結(jié)劑，成功制備出具有直型與波浪型內(nèi)部流道的蜂窩陶瓷過濾器（圖 4），脫粉與燒結(jié)后無結(jié)構(gòu)變形或裂紋。

圖4.（a）、（c）為直型流道，（b）、（d）為波浪型流道的蜂窩過濾器的 3D 數(shù)字圖像。采用粘結(jié)劑噴射工藝制造的脫粉和燒結(jié)蜂窩過濾器的光學(xué)圖像，其中（e）、（g）為直型流道，（f）、（h）為波浪型流道

提升制品性能一致性：復(fù)雜陶瓷構(gòu)件（如過濾器）對孔隙分布、力學(xué)強度的均一性要求極高。Turbiscan 檢測可確保每批次粘結(jié)劑的分散穩(wěn)定性一致，從而實現(xiàn)制品性能的批量重復(fù)性，這對工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。

優(yōu)化配方研發(fā)效率：傳統(tǒng)分散穩(wěn)定性評估依賴長期靜置觀察（通常需 24h 以上），而 Turbiscan 可在數(shù)小時內(nèi)完成定量分析，顯著縮短粘結(jié)劑配方研發(fā)周期，為高性能陶瓷材料的快速迭代提供技術(shù)支撐。

六、結(jié)論

Turbiscan 作為多光散射表征技術(shù)，在光固化復(fù)合粘結(jié)劑分散穩(wěn)定性檢測中展現(xiàn)出高靈敏度、定量化、非破壞性的優(yōu)勢。其核心指標 TSI 值可有效反映粘結(jié)劑中無機填料的分散狀態(tài)，與粘結(jié)劑流變性能、打印性能及陶瓷制品最終品質(zhì)形成明確的耦合關(guān)系。

本研究通過 Turbiscan 優(yōu)化得到的粘結(jié)劑配方（1.5wt% 分散劑濃度），成功解決了粘結(jié)噴射工藝制備復(fù)雜形狀多孔陶瓷的強度與穩(wěn)定性難題。這一應(yīng)用表明，Turbiscan 不僅是分散體系表征的有效工具，更是連接材料配方、工藝參數(shù)與制品性能的關(guān)鍵橋梁，為高性能陶瓷 3D 打印技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用提供了重要的技術(shù)支撐。未來，隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，Turbiscan 在多組分復(fù)合粘結(jié)劑、高固含量體系等復(fù)雜體系的穩(wěn)定性表征中，將發(fā)揮更為重要的作用。

參考文獻

[1] Jong-Han Choi, Mose Kwon, Kwang-Taek Hwang, et al. Mechanical reinforcement of complex shaped ceramic filter fabricated using binder jetting process with photocurable composite ink[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2025, 35: 5514–5520.