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摘要：陶瓷3D打印對(duì)陶瓷懸浮液的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性、粘度及成型一致性要求嚴(yán)苛，光固化陶瓷懸浮液的穩(wěn)定性直接決定3D打印的層間固化效果、坯體精度及最終陶瓷件力學(xué)性能。陶瓷3D打印的質(zhì)量瓶頸往往在于懸浮液配方。傳統(tǒng)的穩(wěn)定性評(píng)估方法耗時(shí)數(shù)周且結(jié)果模糊，導(dǎo)致配方研發(fā)周期漫長(zhǎng)，打印件良率低下。本文介紹如何利用LUMiSizer穩(wěn)定性分析儀，在數(shù)小時(shí)內(nèi)精準(zhǔn)量化懸浮液的穩(wěn)定性，并系統(tǒng)展示其如何快速優(yōu)化氧化鋯、剛玉等體系的打印配方。實(shí)踐證明，該方法可將配方篩選效率提升數(shù)十倍，并直接關(guān)聯(lián)穩(wěn)定性數(shù)據(jù)與最終打印坯體質(zhì)量，從根源上預(yù)防層裂、針孔等缺陷，是推動(dòng)陶瓷增材制造從研發(fā)走向量產(chǎn)的關(guān)鍵工具。結(jié)果證實(shí)，氧化鋯光固化3D打印懸浮液的分散劑濃度為8.5 wt.%，該配方可實(shí)現(xiàn)粘度最小化與動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定，滿足DLP 3D打印的工藝要求。

關(guān)鍵詞：陶瓷 3D 打印；光固化懸浮液；LUMiSizer；穩(wěn)定性

陶瓷3D打印作為先進(jìn)陶瓷成型制造技術(shù)，憑借個(gè)性化、復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型的優(yōu)勢(shì)，在航空航天、生物醫(yī)療、精密制造等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其中DLP數(shù)字光處理光固化3D打印是陶瓷精密成型的主流技術(shù)之一。該技術(shù)對(duì)陶瓷懸浮液的核心要求為：常溫下具備優(yōu)異的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性（無顆粒團(tuán)聚、沉降），保證打印過程中粉體均勻分散；同時(shí)具備低動(dòng)態(tài)粘度，滿足層間鋪展和光固化成型需求。

目前陶瓷3D打印懸浮液的研發(fā)中，穩(wěn)定性評(píng)估仍依賴傳統(tǒng)沉降試驗(yàn)和流變測(cè)量，存在明顯缺陷：刻度筒沉降試驗(yàn)耗時(shí)且無標(biāo)準(zhǔn)化流程，無法適配3D打印配方快速篩選需求；流變測(cè)量易因顆粒快速沉降等產(chǎn)生誤差，難以精準(zhǔn)表征懸浮液的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性；而陶瓷粉體的團(tuán)聚、沉降會(huì)直接導(dǎo)致3D打印坯體出現(xiàn)層裂、孔隙率不均、精度偏差等問題。

鑒于此，本實(shí)驗(yàn)以適配3D打印的陶瓷懸浮液為核心研究對(duì)象，引入LUMiSizer穩(wěn)定性分析儀作為穩(wěn)定性定量評(píng)估工具，系統(tǒng)研究固相含量、分散介質(zhì)、分散劑濃度、成孔劑等關(guān)鍵因素對(duì)懸浮液穩(wěn)定性的影響，重點(diǎn)優(yōu)化氧化鋯光固化3D打印懸浮液的配方參數(shù)，旨在為陶瓷3D打印懸浮液的制備、優(yōu)化及穩(wěn)定性評(píng)估提供高效、精準(zhǔn)的方法和工藝依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：LUMiSizer穩(wěn)定性分析儀（LUM GmbH，德國）、混合流變儀、DLS納米激光粒度儀、掃描電子顯微鏡、同步熱分析儀、離心行星混合機(jī)等。

LUMiSizer 設(shè)備原理：基于STEP技術(shù)（空間時(shí)間解析消光圖譜法），在離心場(chǎng)中通過865nm近紅外光照射樣品池，利用兩千多個(gè)CCD傳感器實(shí)時(shí)記錄樣品不同位置的光透射率隨時(shí)間的變化曲線，實(shí)現(xiàn)顆粒沉降/團(tuán)聚行為的可視化追蹤。配套分析軟件依據(jù)斯托克斯定律及相對(duì)離心力（RCF）計(jì)算公式，精確計(jì)算顆粒遷移速度和終端沉降速度，同時(shí)量化計(jì)算不穩(wěn)定性指數(shù)（Instability Index），實(shí)現(xiàn)對(duì)陶瓷懸浮液動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性的定量分析。該設(shè)備最大離心力可達(dá)2300g，可加速模擬陶瓷懸浮液在3D打印儲(chǔ)存和成型過程中的穩(wěn)定性變化，大幅縮短配方篩選周期。

• 實(shí)驗(yàn)材料：氧化鋯納米顆粒、剛玉粉體、偏高嶺土粉體、硅砂；光固化丙烯酸樹脂；分散劑（Disperbyk-103，BYK-Chemie；Dolapix CE64，適配陶瓷粉體分散）；分散介質(zhì)（去離子水、2 wt.% CMC 水溶液、2 wt.% PVA 水溶液）；成孔劑（廢棄咖啡渣 WCG）；表面活性劑/助劑（1 wt.% 抗壞血酸、羧甲基纖維素 CMC、聚乙烯醇 PVA）。

  
  

• 樣品制備：本研究圍繞陶瓷3D打印懸浮液的配方優(yōu)化，設(shè)計(jì)4類試樣體系，均經(jīng)行星混合機(jī)均質(zhì) + 脫泡處理，所有試樣重復(fù)制備3次以保證平行性，各體系成分及制備參數(shù)如下；

• 體系1：剛玉懸浮液：表2.1，以2 wt.% CMC水溶液為分散介質(zhì)，剛玉粉體固相含量為2.5~40 vol.%，設(shè)置有 / 無Dolapix CE64分散劑兩組，經(jīng)混合機(jī)1800 RPM均質(zhì) 45 min+2400 RPM脫泡30 s，探究固相含量和分散劑對(duì)懸浮液穩(wěn)定性的影響，為高固含陶瓷 3D 打印懸浮液提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表 2.1 剛玉懸浮液成分及設(shè)計(jì)

1. 體系 2：偏高嶺土懸浮液（分散介質(zhì)篩選）：表2.2，固相含量5 wt.%，分別以去離子水、2 wt.% CMC 水溶液、2 wt.% PVA 水溶液為分散介質(zhì)，無額外分散劑，1200 RPM 均質(zhì) 20 min+2400 RPM 脫泡 30 s，篩選適配陶瓷3D打印的高效分散介質(zhì)。

表 2.2 偏高嶺土懸浮液成分及設(shè)計(jì)

• 體系 3：剛玉 - 咖啡渣懸浮液（探究成孔劑影響）：表2.3，以去離子水為分散介質(zhì)，1 wt.% 抗壞血酸為表面活性劑，剛玉粉體初始固相 55 wt.%，采用廢棄咖啡渣（WCG）取代 0~15 wt.% 剛玉粉體，制備多孔陶瓷 3D 打印懸浮液，500 RPM 均質(zhì) 30 min+2400 RPM 脫泡 30 s，探究成孔劑添加對(duì)懸浮液穩(wěn)定性的影響。

表 2.3 剛玉 - 咖啡渣多孔陶瓷懸浮液成分及設(shè)計(jì)

• 體系 4：氧化鋯光固化懸浮液（探究分散劑優(yōu)化）：以丙烯酸樹脂為分散介質(zhì)，氧化鋯納米顆粒固相 30 vol.%，添加Disperbyk-103分散劑（7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10.0 wt.%，以粉體質(zhì)量計(jì)），先樹脂+分散劑500 RPM混合10 min，再加入氧化鋯研磨介質(zhì) + 納米粉體 1800 RPM 混合 45 min+2400 RPM 脫泡 30 s，為 DLP 3D打印篩選優(yōu)分散劑濃度。

LUMiSizer 穩(wěn)定性測(cè)試為核心，結(jié)合流變學(xué)、EDS、DLS 等輔助測(cè)試，所有穩(wěn)定性測(cè)試均在 25℃下進(jìn)行，部分測(cè)試模擬成型環(huán)境，具體測(cè)試方案如下

1、LUMiSizer 測(cè)試通用參數(shù)：采用 PA 材質(zhì)樣品池，865nm 近紅外光，每組試樣重復(fù)測(cè)試3次，以“不穩(wěn)定性指數(shù)（Instability Index）”（取值 0~1，數(shù)值越低穩(wěn)定性越好）為核心評(píng)估指標(biāo)，不同體系離心參數(shù)差異化設(shè)置：

• 剛玉懸浮液（剛玉-咖啡渣懸浮液）：1000~3000 RPM，200~300根譜線，時(shí)間間隔 10 s；

• 偏高嶺土懸浮液：300 RPM，200 根譜線，時(shí)間間隔 5~10 s；

• 氧化鋯光固化懸浮液：3000 RPM，200 根譜線，時(shí)間間隔 10 s

2、穩(wěn)定性評(píng)估指標(biāo)：不穩(wěn)定性指數(shù)、顆粒終端沉降速度、透光率變化趨勢(shì)（圖2.1）

圖2.1 透光率指紋圖譜

3、輔助測(cè)試方案：

• 流變學(xué)測(cè)試：流變儀，25℃恒溫，預(yù)剪切后測(cè)試流動(dòng)曲線，獲取動(dòng)態(tài)粘度、臨界剪切應(yīng)力等參數(shù)，適配3D打印粘度要求；

• 顆粒表征：DLS 測(cè)試粒徑分布（圖2.2），EDS分析粉體化學(xué)組成；

圖2.2 粒徑分布

• 熱分析：測(cè)試咖啡渣的熱分解行為，確定多孔陶瓷 3D 打印后的燒結(jié)工藝（圖2.3）；

圖2.3 廢棄咖啡渣的熱分結(jié)果

• 成型驗(yàn)證：對(duì)氧化鋯光固化懸浮液進(jìn)行 DLP 3D打印成型性驗(yàn)證，關(guān)聯(lián)懸浮液穩(wěn)定性與打印坯體精度。

LUMiSizer 測(cè)試的不穩(wěn)定性指數(shù)是陶瓷3D打印懸浮液穩(wěn)定性的核心定量判據(jù)，其取值 0~1，0 代表懸浮液穩(wěn)定（無顆粒沉降 / 團(tuán)聚），1代表顆粒與分散介質(zhì)分離。以剛玉懸浮液為研究對(duì)象，如圖 3.1 a、b，無 Dolapix CE64 分散劑時(shí)，剛玉固相含量≤15 vol.% 時(shí)不穩(wěn)定指數(shù)降至低點(diǎn)，無顆粒團(tuán)聚，滿足 3D 打印分散要求；固相含量> 15 vol.% 時(shí)，范德華力引發(fā)顆粒團(tuán)聚，不穩(wěn)定指數(shù)顯著升高，無法用于 3D 打印。添加 Dolapix CE64 分散劑后，剛玉懸浮液的不穩(wěn)定指數(shù)隨固相含量升高持續(xù)降低，40 vol.% 高固含剛玉懸浮液的不穩(wěn)定指數(shù)低至0.004，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，且高固含可提升3D打印坯體的致密度，解決了陶瓷3D打印中高固含與高穩(wěn)定性的矛盾。

不穩(wěn)定性指數(shù)可直接表征分散劑的作用效果，為陶瓷3D打印懸浮液的分散劑篩選和固相含量設(shè)計(jì)提供快速定量依據(jù)，大幅縮短配方研發(fā)周期。

圖3.1 剛玉懸浮液不穩(wěn)定性指數(shù)對(duì)比（有無Dolapix分散劑的影響）

分散介質(zhì)的類型直接影響陶瓷粉體的分散性，進(jìn)而決定3D打印懸浮液的穩(wěn)定性和成型性。偏高嶺土懸浮液的LUMiSizer測(cè)試結(jié)果顯示：

沉降速率：去離子水為介質(zhì)時(shí)，偏高嶺土顆粒終端沉降速度最快（VLUMiSizer=3.781 mm/h）；2 wt.% CMC 和 2 wt.% PVA 水溶液為介質(zhì)時(shí)，通過形成聚合物網(wǎng)絡(luò)吸附顆粒，沉降速率降低約 3 倍，且CMC的穩(wěn)定效果略優(yōu)于 PVA（MK (2% CMC) VLUMiSizer=1.064 mm/h）；

不穩(wěn)定性指數(shù)：圖3.2a MK (WAT) 的不穩(wěn)定指數(shù)顯著高于圖3.2b MK (2% CMC) 和 3.2c MK (2% PVA)，透光率指紋圖譜顯示水相介質(zhì)中顆粒沉降引發(fā)的透射率變化更明顯，而 CMC/PVA 介質(zhì)的根譜線幾乎無變化，穩(wěn)定性優(yōu)異；

圖3.2  偏高嶺土懸浮液透光率與不穩(wěn)定性指數(shù)（不同分散介質(zhì)）

理論與實(shí)驗(yàn)對(duì)比：如表3.1 ，LUMiSizer 測(cè)得的終端沉降速度高于修正斯托克斯定律的計(jì)算值，可精準(zhǔn)捕捉3D 打印懸浮液中顆粒的細(xì)微運(yùn)動(dòng)行為，是傳統(tǒng)沉降試驗(yàn)無法實(shí)現(xiàn)的。

表 3.1 偏高嶺土懸浮液終端沉降速度對(duì)比

3D 打印工藝指導(dǎo)：偏高嶺土及同類陶瓷3D打印懸浮液應(yīng)優(yōu)先選用2 wt.% CMC 水溶液為分散介質(zhì)，兼顧懸浮液穩(wěn)定性和低粘度，避免去離子水作為單一分散介質(zhì)。

多孔陶瓷 3D 打印是陶瓷增材制造的重要方向，廢棄咖啡渣（WCG）作為環(huán)保成孔劑，其添加對(duì)剛玉懸浮液穩(wěn)定性的影響為：

穩(wěn)定性變化：WCG 添加量 0~15 wt.% 時(shí)，剛玉懸浮液的不穩(wěn)定指數(shù)持續(xù)降低，穩(wěn)定性顯著提升，指紋圖譜中的沉降峰逐漸減弱（圖3.3）；原因是 WCG 與剛玉形成雙粒徑分布，提高顆粒堆積密度，同時(shí)懸浮液動(dòng)態(tài)粘度升高，限制顆粒沉降，滿足多孔陶瓷 3D 打印的穩(wěn)定性要求；

圖3.3 剛玉 - 咖啡渣懸浮液透光率指紋圖譜（不同咖啡渣添加量）

分散介質(zhì)選擇：乙醇介質(zhì)的剛玉懸浮液離心沉降速度快于水介質(zhì)，且乙醇蒸氣壓高、蒸發(fā)快，導(dǎo)致 3D 打印坯體出現(xiàn)開裂、收縮不均，因此水為多孔陶瓷 3D 打印懸浮液的優(yōu)分散介質(zhì)；

3D 打印工藝指導(dǎo)：多孔陶瓷3D打印懸浮液中，WCG 成孔劑的最佳添加量為10~15 wt.%，此時(shí)懸浮液穩(wěn)定性和孔隙率設(shè)計(jì)達(dá)到平衡，且需選用水相分散介質(zhì)，配合 1 wt.% 抗壞血酸表面活性劑。

氧化鋯光固化懸浮液是 DLP 3D 打印的核心體系，分散劑 Disperbyk-103 的濃度直接決定懸浮液的粘度和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響3D打印的層間鋪展、光固化效率和坯體精度，通過LUMiSizer 測(cè)試結(jié)合流變學(xué)結(jié)果顯示：

粘度變化：圖3.4a顯示，分散劑濃度 7.0~8.5 wt.% 時(shí)，氧化鋯懸浮液的動(dòng)態(tài)粘度持續(xù)降低，8.5 wt.% 時(shí)粘度達(dá)到最小值，滿足 DLP 3D 打印的低粘度鋪展要求；濃度 > 8.5 wt.% 時(shí)，分散劑分子纏結(jié)引發(fā)耗盡絮凝，粘度顯著升高，鋪展性變差，無法用于3D打??；

不穩(wěn)定性指數(shù)：圖3.4b顯示，所有分散劑濃度下的懸浮液不穩(wěn)定指數(shù)均 < 0.05（穩(wěn)定性），7.0~8.5 wt.% 時(shí)不穩(wěn)定指數(shù)持續(xù)降低，8.5 wt.% 時(shí)達(dá)到最小值，顆粒分散最均勻；濃度 > 8.5 wt.% 時(shí)，不穩(wěn)定指數(shù)開始升高，顆粒出現(xiàn)輕微團(tuán)聚，易導(dǎo)致3D打印坯體出現(xiàn)針孔、層裂；

透光率指紋圖譜特征：圖C-2顯示，8.5 wt.% 分散劑濃度時(shí)，氧化鋯懸浮液的 LUMiSizer 透光率指紋圖譜幾乎無時(shí)間變化，無顆粒沉降 / 團(tuán)聚，是 DLP 3D 打印的優(yōu)狀態(tài)。

圖3.4 氧化鋯光固化 3D打印懸浮液的粘度與穩(wěn)定性（分散劑濃度影響）

DLP 3D 打印優(yōu)配方：30 vol.% 氧化鋯納米顆粒（3 mol.% Y?O?）+ 光固化丙烯酸樹脂 +8.5 wt.% Disperbyk-103 分散劑，該配方實(shí)現(xiàn)粘度最小化和動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定，DLP 3D 打印坯體層間結(jié)合良好，無明顯缺陷。

EDS 成分分析：氧化鋯、剛玉、偏高嶺土粉體的化學(xué)組成均為高純度，無雜質(zhì)元素，避免3D打印燒結(jié)過程中出現(xiàn)雜相，保證陶瓷件力學(xué)性能；其中氧化鋯粉體含 63.3 wt.% Zr、33.1 wt.% O、3.6 wt.% Y，符合 3D 打印用氧化鋯粉體的成分要求；

咖啡渣熱分析（圖 2.3）：咖啡渣在 150℃時(shí)失去水分（質(zhì)量損失 4.6%），150~600℃為燃燒分解階段（質(zhì)量損失91.1%），600℃后質(zhì)量無變化，因此多孔陶瓷 3D 打印坯體的燒結(jié)工藝可設(shè)置為600℃預(yù)燒除碳 + 1550℃高溫?zé)Y(jié)；

流變學(xué)測(cè)試：所有適配3D打印的陶瓷懸浮液均表現(xiàn)為假塑性流體，剪切變稀特性顯著，滿足3D打印的鋪展要求；其中氧化鋯光固化懸浮液在8.5 wt.% 分散劑濃度時(shí)，臨界剪切應(yīng)力最小，鋪展性優(yōu)。

• 在本次實(shí)驗(yàn)中，懸浮液不穩(wěn)定指數(shù)<0.05時(shí)，顆粒均勻分散，無沉降/團(tuán)聚，DLP 3D打印的層間光固化均勻，坯體無針孔、層裂，精度達(dá)標(biāo)；

• 懸浮液不穩(wěn)定指數(shù)>0.1時(shí)，顆粒沉降/團(tuán)聚導(dǎo)致打印漿料的粉體濃度不均，光固化時(shí)出現(xiàn)固化不全，坯體易出現(xiàn)翹曲、孔隙率不均；

• 高固含（如 40 vol.% 剛玉）且高穩(wěn)定性的懸浮液，打印坯體的固相含量高，燒結(jié)后致密度提升，力學(xué)性能顯著優(yōu)于低固含懸浮液的打印件。

• LUMiSizer 可通過不穩(wěn)定指數(shù)快速預(yù)判陶瓷懸浮液的3D打印成型性，為配方篩選提供直接依據(jù)，大幅提升陶瓷3D打印的研發(fā)效率。

• 確定了本次實(shí)驗(yàn)中氧化鋯DLP光固化3D打印懸浮液的優(yōu)配方：30 vol.% 氧化鋯納米顆粒+ 光固化丙烯酸樹脂 + 8.5 wt.% Disperbyk-103 分散劑。該配方實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)粘度最小化和動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定，不穩(wěn)定指數(shù)<0.05，且表現(xiàn)為優(yōu)異的剪切變稀特性，滿足 DLP 3D 打印的鋪展、光固化和成型精度要求，打印坯體無層裂、針孔等缺陷。

• 使用LUMiSizer，可以快速為光固化陶瓷材料找到類似的優(yōu)分散劑配方，在保證優(yōu)異打印精度的同時(shí)，將原料（尤其是昂貴的分散劑）成本控制在最佳水平。

•  LUMiSizer提供了懸浮液穩(wěn)定性的核心判據(jù)，與您實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有流變儀、粒度儀數(shù)據(jù)相結(jié)合，可構(gòu)建完整的‘配方性能地圖’，實(shí)現(xiàn)從顆粒、流變到穩(wěn)定性的全流程研發(fā)質(zhì)控。同時(shí)關(guān)聯(lián)懸浮液穩(wěn)定性與3D打印成型質(zhì)量，為陶瓷增材制造的工藝調(diào)控提供參考依據(jù)，可以推動(dòng)陶瓷3D打印技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。

對(duì)于致力于提升陶瓷3D打印工藝穩(wěn)定性、縮短研發(fā)周期、提高最終產(chǎn)品良率的研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)而言，LUMiSizer不再僅僅是一臺(tái)分析儀器，更是實(shí)現(xiàn)配方數(shù)字化、研發(fā)精準(zhǔn)化的核心引擎。它提供的不僅是一組數(shù)據(jù)，更是通往高效、可靠生產(chǎn)的知識(shí)與信心。