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超强激光科学卓越创新简报

(第三百五十期)

2023年1月5日

上海光机所在3D打印红外透明陶瓷研究方面取得进展

　　近期，中国科学院上海光学精密机械研究所红外光学材料研究中心在3D打印（增材制造）红外透明陶瓷研究方面取得进展。该工作首次通过材料挤压（MEX）实现了3D打印红外透明的3Y-TZP（3 mol%钇稳定的四方氧化锆）陶瓷，通过3D打印技术制造具有复杂几何结构的红外透明陶瓷，突破了传统陶瓷成型工艺的限制，相关研究成果以“3D Printing of Infrared Transparent Ceramics via Material Extrusion”为题发表于Additive Manufacturing上。

　　多晶透明陶瓷是由高纯度的陶瓷纳米颗粒精细烧结而成的。由于其在大规模制造和机械强度方面的双重优势引起了现代光学领域越来越多研究人员的兴趣。3D打印技术实现了高塑形自由度，所有的部件都可以通过数字方式设计，突破了传统陶瓷制造工艺的几何限制。计算机控制的喷嘴通过小孔沉积材料形成设计结构的材料挤压（直接喷墨（DIW））是制造光学陶瓷部件的绝佳方法。

　　研究人员开发了一种水基陶瓷墨水，包括商业化的3Y-TZP粉末，墨水固体含量高达50vol%，具有良好的剪切稀化行为，适用于DIW技术。通过DIW打印方法制造可定制的复杂三维几何形状的红外透明陶瓷坯体。经过脱胶、预烧结和热等静压（HIP）烧结过程，获得了相对密度为99.85%、红外（3-5μm）透过率大于70%的陶瓷组件。相关工作还研究了烧结过程中密度和微观结构的演变，以确定致密化机制。

　　生产具有复杂三维结构的红外透明陶瓷材料将推动新型红外光学元件的制造，如新型激光材料和分层光学窗，在现代红外光学中具有广阔的应用前景。

　　原文链接

图1 制备3Y-TZP油墨的过程（A），印刷3Y-TZP结构以获得具有设计几何形状的坯体，以及脱脂和烧结过程（B）。

图2 不同分散剂的ζ对pH值的依赖性（A）。1wt.%、2wt.%和3wt.%量的分散剂的3Y-TZP纳米悬浮液（B）。颗粒的溶解大分子壳被CE64占据，ζ由正变负的过程，CE64在水中水解为带有羧酸盐和NH4+的阴离子基团（C）。

图3 不同固体含量的油墨在不同剪切率下的流变行为（A），以及固体含量为35vol％、40vol％、45vol％和50vol％的油墨打印（B）。

图4 红外透明陶瓷制备过程中的密度变化

图5 3Y-TZP陶瓷的红外透射率.

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