3D打印彩色氧化鋯陶瓷零件的制備、表征及著色機(jī)理

2023年11月14日，山東大學(xué)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(bào)道了一項(xiàng)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(jī)理，并為顏色變化更大的有色氧化鋯陶瓷的準(zhǔn)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(xué)裝飾材料，具有良好的綜合力學(xué)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(jìn)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(lán)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(xué)粉、綠、藍(lán)三色?；?，驗(yàn)證了該美學(xué)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(lán)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(qiáng)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(dāng)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(lán)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(dāng)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(lán)色。當(dāng)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。