供稿人：徐云龙、李涤尘 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2024-11-27
氧化钇透明陶瓷在光学领域有着广泛的应用，可作为透明窗口材料，并在激光设备、光学传感器和人工关节终得到实际应用。传统制备氧化钇透明陶瓷的主要技术包括真空烧结、凝胶铸造、热等静压和火花等离子烧结，但他们要么无法创建复杂的结构，要么以额外的模具和工艺为代价来实现。近期，中国科学院福建物质结构研究所的周有福团队通过直接墨水写入（DIW）成功制备了71%透射率的氧化钇透明陶瓷，克服了与传统成型工艺的限制，从而提供了一种非常有前途的解决方案，可以满足一定的光学应用。
在这项工作中，周有福团队开发了一种固含量为45 vol%的自凝结陶瓷浆料，具有剪切稀化流变性能，特点是有机物含量低、固体含量高、成型性好，以及研究了致密化机理，以了解烧结过程中密度和微观结构的演变。
通过研究分散剂Isobam-104与辅助分散剂柠檬酸三铵TAC在高固体含量下的流变特性和zeta电位，确定其最佳含量。甘油既用作保水剂又用作润滑剂，其具有三个羟基，可与水分子形成氢键，在水蒸发速率方面表现出延迟，从而保持浆料的水分。以及研究了PH值对电位的影响，确定浆料的最佳PH值。粉末主要有Y2O3、ZrO2、La2O3按照Y1.74Zr0.2La0.06O3的比例配置完成浆料后使用真空消泡剂进行消泡处理，然后进行打印，下图说明了制备可打印浆料的过程。
图1 制备壳打印浆料的过程
打印获得陶瓷胚体，干燥后通过脱脂、烧结和退火工艺实现了具有高密度和透明度的同素异形体。为了实现最终产品的透明度，主要考虑3个因素：（1）提高密度以消除孔隙率;（2）优化晶界;（3）确保均匀的晶体，不含任何第二相杂质。通过与传统方法冷等静压CIP制作的氧化钇透明陶瓷进行对比，图2、图3、图4分别进行了X射线衍射分析、断面SEM图像分析以及透射率分析来评估DIW工艺的可行性。从中我们可以看出XRD分析二者基本一致，基于峰值强度的结晶程度很高，在SEM分析中可以看出1750℃时DIW工艺制得的氧化钇陶瓷孔隙较明显，但随着烧结温度提高至1850℃，孔隙明显减少。而CIP工艺制得的氧化钇陶瓷在温度升高后由于晶粒的异常生长，反而提升了孔隙率。透射率分析可得在可见光区域内，3D打印陶瓷的峰值透射率约为71%，低于CIP样品的79%。3D打印陶瓷和CIP形状陶瓷之间的间隙可以归因于有机添加剂分解产生的孔隙和DIW本身引入的缺陷。
图2 相鉴定（a）CIP和（b）3D打印的XRD表现出单一的氧化钇相。
图3 扫描电子显微镜 （SEM） 图像描绘了在不同温度下烧结的 3D 打印样品的断裂表面：（a）1750℃、（b）1800℃和（c）1850℃，以及在不同温度条件下烧结的冷等静压（CIP）样品的断裂表面：（d）1750℃、（e）1800℃和（f）1850℃。
图4（a）3D打印和CIP陶瓷烧结后的在线透射率。（b）3D打印陶瓷和CIP陶瓷在850 nm不同烧结温度下的在线透射率。
本研究展示了使用DIW技术对氧化钇透明陶瓷进行3D打印，所得的3D打印陶瓷在1850°C的烧结温度下表现出71%的在线透射率，略低于传统CIP实现的透射率（79%）。然而，它使制造无法通过CIP实现的复杂结构成为可能。氧化钇陶瓷的DIW打印方法在扩大其在光学领域的应用方面具有巨大的潜力。