光固化 3D 打印陶瓷的力学性能远低于传统方法制备的陶瓷，其关键瓶颈在于层间结合区形成的缺陷。在成型过程中，每层的光聚合程度决定了层间残留单体的数量，进而影响后续层间的二次聚合；在烧结过程中，这些区域的颗粒堆积密度和孔隙演化路径又与初始聚合状态密切相关。
然而，现有研究往往将光固化参数或烧结制度独立考虑，忽视了光聚合动力学与烧结动力学在层间区域的协同作用机制。
近日，南京工业大学张可强副教授与北京理工大学何汝杰教授团队在《Journal of Advanced Ceramics》发表研究论文，提出一种跨工艺协同控制的新范式，将层间界面视为一个在光热场中动态演化的系统，通过有效控制缺陷形成，实现了氧化锆陶瓷力学性能的突破。
2026年第15卷第5期
10.26599/JAC.2026.9221290
研究亮点
（1）提出跨工艺协同控制新策略：将层间视为“光-热”连续场中的动态演化系统，打破光固化与烧结的传统割裂，实现全流程一体化调控。
（2）构建层间结合三模型：基于光敏树脂的聚合程度，提出了“能量输入不足-适中-过高”三种层间结合模型，阐明了弱/强/弱结合的形成机制。
（3）阐明烧结动力学窗口：系统研究了1200~1650℃烧结温度与1~4 h保温时间对层间孔隙演化及力学性能的影响，明确了1350~1550℃致密化窗口。
被层层叠加放大的“软肋”
光固化增材制造（VPP）技术，包括立体光刻（SLA）和数字光处理（DLP），凭借高成型精度和良好的表面质量，在复杂结构陶瓷制造领域备受关注。然而，逐层叠加的工艺特性也引入了一个固有难题——层间结合薄弱。这些层间区域构成了潜在的缺陷带，在烧结过程中易于扩展，最终损害陶瓷部件的致密度和力学完整性。
传统研究通常将光固化成型与高温烧结视为两个独立的优化阶段，分别优化参数。这种思路，忽视了层间区域在“光-热”连续场中的动态演化机制。具体而言，在光固化阶段，每层的光聚合程度决定了层间残留单体的数量，进而影响后续层间的二次聚合；而在烧结阶段，这些区域的颗粒堆积密度和孔隙演化路径又与初始聚合状态密切相关。割裂这两个阶段，就无法从根本上理解并控制层间缺陷的形成与演化。
跨工艺协同，主动引导层间进化
针对上述瓶颈，研究团队提出了一种全新的研究范式：将层间区域视为一个在光-热耦合场中持续演化的动态系统，采取跨工艺协同控制的主动策略。
研究系统考察了关键光固化参数（辐照度、曝光时间、切片厚度）和烧结制度对层间区域的影响，揭示了光聚合动力学与烧结动力学在该区域的协同作用机制。
光固化阶段的主动设计
研究通过正交实验发现，切片厚度是影响层间性能的最关键因素。基于此，团队提出了一个关键发现：通过精确控制紫外（UV）能量输入，引入一种可控的不完全聚合状态。其原理在于，适中的能量输入使当前层固化后仍留有充足的残留单体，这些单体在后续层固化时能有效参与二次聚合，形成牢固的化学键合，从而实现“强层间结合”。团队据此构建了“能量输入不足-适中-过高”三种层间结合模型，阐明了弱/强/弱结合的形成机制。
烧结阶段的精准调控
在光固化阶段为层间结合打下基础后，烧结工艺则针对层间区域的致密化进行优化。团队通过构建烧结动力学窗口，系统研究了1200~1650°C烧结温度与1~4h保温时间的影响，明确了1350~1550°C为最佳致密化窗口。在此窗口内，晶界扩散与孔隙迁移达到最佳平衡，层间孔隙被有效排出。
实现氧化锆陶瓷力学性能的显著提升
通过上述跨工艺协同策略，研究团队在氧化锆（ZrO₂）陶瓷上取得了突破性成果：
力学性能：在1550°C烧结2h的条件下，制备的ZrO₂陶瓷抗弯强度达到425.89±16.01 MPa，相对密度高达97.21%±0.14%。
微观结构验证：通过X-CT三维重构证实，优化后的样品内部无层间裂纹，残余孔隙主要为晶内闭孔，说明层间薄弱区得到了有效强化。
这项研究的价值不仅在于提供了一条高性能陶瓷制备的具体路径，更在于构建了连接工艺参数、层间结构演化与最终力学性能的理论框架。该成果打破了传统研究中光固化与烧结相互割裂的局限，提示研究者从全流程一体化的视角审视增材制造中的缺陷演化问题。
这一思路对于其他存在层间问题的增材制造材料体系，同样具有重要的借鉴意义。
课题组介绍
张可强（第一作者，通讯作者），南京工业大学副教授，研究方向是陶瓷材料增材制造。
何汝杰（通讯作者），北京理工大学长聘教授、博士生导师，《先进陶瓷（英文）》期刊副主编。长期从事陶瓷及其复合材料3D打印基础理论、关键技术及工程应用研究，包括：陶瓷及其复合材料3D打印成形工艺与原理、3D打印陶瓷及其复合材料的形性表征与精准调控、3D打印陶瓷及其复合材料的结构功能一体化构筑与应用等。
▌ 三维科学 l 无限可能
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