3D打印彩色氧化锆陶瓷零件的制备、表征及着色机理

2023年11月14日，山东大学的研究人员在《Materials Today Communications》上发表题为Preparation, characterization and coloring mechanism of 3D printed colorful ZrO2 ceramics parts的研究论文，报道了一项关于有色陶瓷的研究工作。该研究旨在从微观角度解释有色陶瓷的着色机理，并为颜色变化更大的有色氧化锆陶瓷的准确着色和制备提供理论支持。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2352492822017767

研究简介  
ZrO陶瓷是一种美学装饰材料，具有良好的综合力学性能和美丽的颜色。本研究将彩色ZrO陶瓷浆料与CoO、CrO和ErO混合，并使用SLA-3D打印技术制作彩色ZrO陶瓷部件，然后在高温下进行烧结。研究发现，氧化钴含量低于5wt%时，氧化锆陶瓷的颜色可以有明显变化。蓝色氧化锆陶瓷的着色质量主要受Al、Co和O元素氧化物的影响，而氧化铬氧化锆陶瓷的着色质量主要取决于形成含有Al、Cr、O元素的固溶体。此外，研究还成功制作了山东大学粉、绿、蓝三色校徽，验证了该美学装饰材料制备方案的可行性。

图1 SLA- 3D打印后ZrO陶瓷零件的脱脂和烧结工艺。

图2 不同着色剂含量陶瓷浆料的固化深度曲线:(a, b) CoO的蓝色ZrO陶瓷浆料;(c)含CrO的绿色ZrO陶瓷浆料;(d)含ErO的粉红ZrO陶瓷浆料;

图3 不同着色剂含量零件的CIE色度值。

图4 含CrO零件烧结前后颜色变化及漫反射曲线的比较。

图5 (a)含CrO陶瓷切片的SEM和(c1, c2) EDS分析;(b)含CrO烧结件的XRD相结构。

图6 不含AlO的含CrO零件烧结前后的对比及漫反射曲线。

图7 烧结前后含CoO零件的比较及漫反射曲线。

图8 (a)含CoO陶瓷切片的SEM和(c1, c2) EDS分析;(b)含CoO烧结件的XRD相结构。

图9 含ErO或CeO部件的漫反射曲线。

图10 不同颜色ZrO陶瓷的抗弯强度。

图11 不同颜色ZrO陶瓷的维氏硬度。

研究结论
1. 随着着色剂含量的增加，固化深度减小，导致着色ZrO陶瓷件的亮度值发生明显变化。当氧化钴含量不超过5wt%时，ZrO陶瓷件的颜色可以有足够的变化。

2. 对于含有CoO、CrO和ErO的ZrO陶瓷浆料，最佳激光功率范围分别为300 ~ 450 mW、200 ~ 400 mW和150 ~ 250 mW。

3. 使用CoO和ErO作为着色剂，制备了均匀的蓝色和粉红色ZrO陶瓷件。使用CrO作为着色剂，可以制备浅紫色和绿色的ZrO陶瓷件。当添加氧化铝时，Al、Cr和O元素形成(AlCr)O固溶体和CoAlO，使零件分别呈现紫色和蓝色。当不含氧化铝时，Cr元素以Cr离子的形式存在，使零件呈现绿色。