行业新知丨陶瓷基复合材料的3D打印：强化和增韧策略

摘要：陶瓷材料因高硬度、耐高温、耐腐蚀等特性，在航空航天、能源、生物医疗等领域应用广泛，但其本征脆性（低断裂韧性、抗冲击性差）限制了其可靠性。近日，南京师范大学张峰教授联合华中科技大学周士翔教授团队在《Composites Part B: Engineering》期

陶瓷材料因高硬度、耐高温、耐腐蚀等特性，在航空航天、能源、生物医疗等领域应用广泛，但其本征脆性（低断裂韧性、抗冲击性差）限制了其可靠性。近日，南京师范大学张峰教授联合华中科技大学周士翔教授团队在《Composites Part B: Engineering》期刊上发表了题为《3D printing of ceramic matrix composites: Strengthening and toughening strategies

》的研究，本研究通过引入第二相（增强相）形成陶瓷基复合材料（CMMCs），成为突破脆性瓶颈的核心策略。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112335

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研究内容

本文研究了多功能 3D 打印陶瓷复合材料，包括碳质材料增强陶瓷基复合材料(CMrCMCs)、金属增强陶瓷基复合材料 (MrCMCs)、聚合物增强陶瓷基复合材料 (PrCMCs) 和陶瓷增强陶瓷基复合材料 (CrCMCs)，特别关注添加的增强体如何增强和增韧 3D 打印陶瓷复合材料结构。基于四大增强相分类和七种主要的3D打印技术，探讨了各种陶瓷增强增韧机理，发现CrCMCs涵盖了最为成熟的增韧策略，例如相变增韧、微裂纹增韧、裂纹偏转与桥接、晶须/纤维增韧、原位增韧等。。

以下是文章的研究方法及数据：

图1.使用液体原料的各种 3D 打印技术的强化和增韧策略：(a) 材料挤出（以平台执行的 z 轴运动表示）；(b) VPP（以自下而上的数字光处理装置表示）

图2. 采用固体原料的各种3D打印技术的强化和增韧策略：（a）粉末床熔融；（b）粘合剂喷射

图3. 采用SLS 制造 C f /SiC 复合材料零件的流程示意图。

图4. ( a) 使用最终油墨组合物和410μm喷嘴头对晶格进行DIW；(b) 在1000℃下陶瓷化后的晶格顶视图；(c) 打印和陶瓷化的块体形状，展示了该工艺的多功能性；(d) 热解CMC长丝截面的SEM顶视图，显示纤维排列和拉出；(e) 截面的侧视图，显示长丝的部分变形以及支撑中沿打印方向的纤维排列；(f) 支撑断裂表面的放大图

图5.共挤压策略对 3D 打印陶瓷进行强化和增韧：（a）连续纤维三维打印陶瓷示意图[ 52 ]；（b）制备 C f /SiC 核/壳部件示意图

图6.（a）SiC 复合材料的制备示意图；（b）烧结的 C f /SiC 复合材料[ 62 ]；（c）–（f）ZrO₂ /cPMMA 复合材料断裂表面的代表性微观结构

图7 .( a) 圆柱形多孔预制件和使用类似多孔预制件制成的金属渗透复合材料的顶视图；(b) 具有梯度微观结构的莫来石-铝复合材料的光学显微照片[ 64 ]；(c) 陶瓷长丝与延展性金属芯的共挤压[ 67 ]；(d) – (i) Cr₃C₂ / Cu复合材料制备工艺： ( d) 浆料制备；(e) 直接墨水书写；(f) Cr₃C₂支架烧结；(g) 烧结的 Cr₃C₂支架； (h) 渗透过程；(i) 所得复合材料

图 8。( a) Si/SiC 表面激光烧结 (CLS) 制备工艺示意图 [ 10 ]；(b)~(d) 采用混合增材制造技术制备复杂形状大尺寸 HVF-SiC/Al 复合材料零件示意图：(b) 激光粉末床熔融打印 SiC 生坯零件，(c) 聚合物渗透和热解 (PIP) 工艺，(d) 真空压力渗透工艺

图9.陶瓷-金属复合材料的制备。包括增材制造和离心铸造的两步工艺

图10 . 采用宏观设计孔隙制造的陶瓷复合材料示例。

图11. ( a)–(c) 3D 打印 Si-SiC 陶瓷近净成形能力的证明：(a) 大孔晶格结构的 CAD 设计；(b) 反应渗透 Si-SiC 部件（起始成分为 49.2 vol% Si、32.8 vol% SiC 和 18 vol% 糊精）；(c) 起始粉末混合物中 Si 含量为 57.4 vol% 的 Si-SiC 微观结构[ 23 ]；(d)–(g) 采用 PolyJet 的 Si-SiC 复合材料制造工艺；(h) 支柱横截面；(i) Si-SiC 微观结构

图11. ( a)体积分数为40.8%的均匀梯度陶瓷及其相应复合材料的设计与制备过程；(b)烧结态陶瓷支架及固化抛光后的复合材料典型照片，样品尺寸为12×12×12mm³ ； (c)陶瓷/聚合物界面结合的分子动力学模拟及SEM图像

图 12.（a）采用 VPP 工艺制造陶瓷方锌矿样品，并对陶瓷样品进行浸涂以形成聚合物涂层的 PrCMC，并对两个样品进行准静态压缩研究；（b）具有互穿支柱的混合核/壳支架的示意图和代表性混合支柱的 SEM 显微照片

图14.（a）仿生GB复合材料制造工艺示意图；（b）示意图显示了在长丝挤出过程中剪切力引起的氧化铝纳米片的排列；（c）GB陶瓷骨架示意图，显示了梯度和螺旋特征；（d）GB复合材料冲击负荷下显示出扭曲裂纹的扩展（e）通过片状糊剂的自动铸造生产的仿生片状环氧复合材料；（f）SEM图像显示了打印部件的微观结构。比例尺分别为10μm和500μm

图 15. ( a) 示意图、(b) 微观结构、(c) VPP 3D 打印 ZTA 陶瓷部件作为工业齿轮的典型应用；(d) 三种不同打印方向上的抗弯强度和抗弯强度比、(e) 3D 打印烧结氧化锆增韧氧化铝 (ZTA) 复合材料的表面粗糙度以及侧面粗糙度值与顶面粗糙度值之比、(f) 烧结 Z5 和 Z20 全瓷冠的综合应力-应变曲线；(g) VPP 3D 打印 HAP/ZrO₂
复合材料的微观结构和能量色散 X 射线光谱 (EDS) 元素映射，以及 (h) 通过 VPP 和液体前驱体渗透相结合制备 ZTA 陶瓷的示意图

图 16.（ a）用于 VPP 3D 打印的 Al₂O₃/SiCw 陶瓷悬浮液制备示意图[ 113 ] ；（ b c）VPP 3D 打印复杂形状Al₂O₃/SiCw复合材料的图片和显微结构（明显出现晶须拔出）；（d）VPP 3D 打印 SiOC/SiCw 复合材料示意图；（ e）聚合物衍生的 SiOC/ SiCw陶瓷的抗压强度-密度 Ashby 图，与以前报道的研究结果比较

图 17.（ a） VPP 3D 打印制备用于铸造高性能空发动机涡轮叶片的 SiO2/ZrO₂ 陶瓷型芯示意图；（b）VPP 3D 打印二氧化硅型芯中网络结构 ZrSiO4 包裹大颗粒熔融石英的横截面 SEM 图像；（c）VPP 3D 打印织构氧化铝示意图及微观结构；（d）VPP 3D 打印片状氧化铝增强氧化锆陶瓷的多重增韧机制

图 18.（a）–（d）MEX 3D 打印 ZTA 陶瓷的图片和（e）微观结构，（f）MEX 3D 打印氧化铝陶瓷的抗弯强度对 SiC 颗粒含量的依赖性，（g）SiC 颗粒增韧强化的 MEX 3D 打印氧化铝陶瓷中典型的晶断裂和微裂纹，以及（h）–（j）MEX 3D 打印 SiC/SiCw 复合材料的微观结构

图 19. ( a) 选择性糊料挤出工艺 (SPEP) 的打印和进料系统，(b) 三点弯曲下三层梯度棒模型示意图，(c) 多孔Al₂O₃ - ZrO₂层状陶瓷制备示意图，以及 (d) MEX 3D 打印连续陶瓷纤维增强陶瓷复合材料示意图

（a） SLM示意图；（b）含 41.5 wt% 氧化锆（6 wt% 氧化钇）/58.5 wt% 氧化铝的牙科修复体框架；（c）LENS 示意图；（d、e） LENS 制备的 ZrO₂-Al₂O₃ 横截面的微观结构和裂纹扩展ZnO 晶须增强的镁橄榄石/生物玻璃支架的裂纹扩展[143 ]；（g）用于 SLS 的 Al₂O₃-SiC 复合陶瓷颗粒的微观结构[ 18 ] ；h）干燥的 SLS 3D 打印氧化铝陶瓷生坯的微观结构，渗入 20vol% 硅溶胶；以及（i）SLS 制备的氧化铝基陶瓷芯

结论

研究得出以下结论：

碳质增强（CMrCMCs）

SLS+碳化+硅渗：碳纤维偏转/拔出吸能，断裂韧性升至 6.5 MPa·m¹/²。

DIW同轴挤出：连续碳纤维芯-壳结构，弯曲强度 320 MPa，比纯SiC提升3倍。

VPP定向排列：短切镍包覆碳纤维定向，断裂功 2.1 kJ/m²（纯SiC仅0.3）。

金属增强（MrCMCs）

Al₂O₃/Al互穿结构：压缩强度 480 MPa，抗冲击性提升5倍。

Si/SiC Gyroid结构：模量 932 MPa，适用于轻量化承力件。

仿生梯度与界面优化：断裂韧性 12.89 MPa·m¹/²，弯曲强度可达 620 MPa。

聚合物增强（PrCMCs）

ZrO₂/环氧渗透：断裂韧性 58 MPa·m¹/²，提升百倍以上。