3D打印彩色氧化鋯陶瓷零件的制備、表征及著色機理

2023年11月14日，山東大學的研究人員在《Materials Today Communications》上發(fā)表題為Preparation, characterization and coloring mechanism of 3D printed colorful ZrO2 ceramics parts的研究論文，報道了一項關(guān)于有色陶瓷的研究工作。該研究旨在從微觀角度解釋有色陶瓷的著色機理，并為顏色變化更大的有色氧化鋯陶瓷的準確著色和制備提供理論支持。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2352492822017767

研究簡介  
ZrO陶瓷是一種美學裝飾材料，具有良好的綜合力學性能和美麗的顏色。本研究將彩色ZrO陶瓷漿料與CoO、CrO和ErO混合，并使用SLA-3D打印技術(shù)制作彩色ZrO陶瓷部件，然后在高溫下進行燒結(jié)。研究發(fā)現(xiàn)，氧化鈷含量低于5wt%時，氧化鋯陶瓷的顏色可以有明顯變化。藍色氧化鋯陶瓷的著色質(zhì)量主要受Al、Co和O元素氧化物的影響，而氧化鉻氧化鋯陶瓷的著色質(zhì)量主要取決于形成含有Al、Cr、O元素的固溶體。此外，研究還成功制作了山東大學粉、綠、藍三色校徽，驗證了該美學裝飾材料制備方案的可行性。

圖1 SLA- 3D打印后ZrO陶瓷零件的脫脂和燒結(jié)工藝。

圖2 不同著色劑含量陶瓷漿料的固化深度曲線:(a, b) CoO的藍色ZrO陶瓷漿料;(c)含CrO的綠色ZrO陶瓷漿料;(d)含ErO的粉紅ZrO陶瓷漿料;

圖3 不同著色劑含量零件的CIE色度值。

圖4 含CrO零件燒結(jié)前后顏色變化及漫反射曲線的比較。

圖5 (a)含CrO陶瓷切片的SEM和(c1, c2) EDS分析;(b)含CrO燒結(jié)件的XRD相結(jié)構(gòu)。

圖6 不含AlO的含CrO零件燒結(jié)前后的對比及漫反射曲線。

圖7 燒結(jié)前后含CoO零件的比較及漫反射曲線。

圖8 (a)含CoO陶瓷切片的SEM和(c1, c2) EDS分析;(b)含CoO燒結(jié)件的XRD相結(jié)構(gòu)。

圖9 含ErO或CeO部件的漫反射曲線。

圖10 不同顏色ZrO陶瓷的抗彎強度。

圖11 不同顏色ZrO陶瓷的維氏硬度。

研究結(jié)論
1. 隨著著色劑含量的增加，固化深度減小，導(dǎo)致著色ZrO陶瓷件的亮度值發(fā)生明顯變化。當氧化鈷含量不超過5wt%時，ZrO陶瓷件的顏色可以有足夠的變化。

2. 對于含有CoO、CrO和ErO的ZrO陶瓷漿料，最佳激光功率范圍分別為300 ~ 450 mW、200 ~ 400 mW和150 ~ 250 mW。

3. 使用CoO和ErO作為著色劑，制備了均勻的藍色和粉紅色ZrO陶瓷件。使用CrO作為著色劑，可以制備淺紫色和綠色的ZrO陶瓷件。當添加氧化鋁時，Al、Cr和O元素形成(AlCr)O固溶體和CoAlO，使零件分別呈現(xiàn)紫色和藍色。當不含氧化鋁時，Cr元素以Cr離子的形式存在，使零件呈現(xiàn)綠色。