陶瓷是一種傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)材料，精美實(shí)用，已經(jīng)有了上千年的歷史。硬而脆的特點(diǎn)使陶瓷材料加工成形尤其困難，傳統(tǒng)陶瓷制備工藝只能制造簡(jiǎn)單三維形狀的產(chǎn)品，而且成本高、周期長(zhǎng)。陶瓷3D打印技術(shù)的發(fā)展使復(fù)雜陶瓷產(chǎn)品制備成為可能，3D打印技術(shù)所具有的操作簡(jiǎn)單、速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)給陶瓷注入了新的活力。

陶瓷3D打印的主要幾種技術(shù)

目前陶瓷3D打印成形技術(shù)主要可以分為噴墨打印技術(shù)(IJP)、熔融沉淀技術(shù)(FDM)、分層實(shí)體制造技術(shù)(LOM)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(SLS) 和立體光固化技術(shù)(SLA)。使用這些技術(shù)打印得到的陶瓷坯體經(jīng)過(guò)高溫脫脂和燒結(jié)后便可得到陶瓷零件。根據(jù)成形方法和使用原料的不同，每種打印技術(shù)都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，發(fā)展程度也有差距。

陶瓷3D打印主要材料

硅酸鋁陶瓷 

硅酸鋁是一種硅酸鹽，其化學(xué)式為Al2SiO5，密度為2.8到2.9克/立方厘米。具有廣泛的用途：

1.用于玻璃、陶器、顏料及油漆的填料；

2.是涂料中的鈦白粉和優(yōu)質(zhì)高嶺土的理想替代品，與顏料配合廣泛用于油漆、皮革、印染、油墨、造紙、塑料、橡膠等方面；

3.用來(lái)制作耐高溫防火隔音隔熱棉、板、管、縫氈、防火隔熱布、耐高溫紙、耐火保溫繩、帶、防火保溫針刺毯(有甩絲、噴吹)、磚，無(wú)機(jī)防火裝飾板。無(wú)機(jī)防火卷簾等；

4.用作膠黏劑和密封劑的填充劑，能夠提高硬度、白度、耐磨性、耐候性、貯存穩(wěn)定性。 

但是傳統(tǒng)的制造工藝，生產(chǎn)效率低，復(fù)雜制件難以成型，限制了其在其它領(lǐng)域內(nèi)的廣泛使用，利用3D打印技術(shù)，將硅酸鋁陶瓷粉體用于3D打印陶瓷產(chǎn)品。

3D打印的該陶瓷制品不透水、耐熱(可達(dá)600°C)、可回收、無(wú)毒，但其強(qiáng)度不高，可作為理想的炊具、餐具(杯、碗、盤子、蛋杯和杯墊)和燭臺(tái)、瓷磚、花瓶、藝術(shù)品等家居裝飾材料。英國(guó)布里斯托的西英格蘭大學(xué)(UWE)的研究人員開(kāi)發(fā)出了一種改進(jìn)型的3D打印陶瓷技術(shù)，該技術(shù)可用于定制陶瓷餐具，比如漂亮的茶杯和復(fù)雜的裝飾物。根據(jù)CAD數(shù)據(jù)可直接進(jìn)行打印、燒制、上釉和裝飾，消除了先前陶瓷產(chǎn)品原型沒(méi)法過(guò)火或測(cè)試釉質(zhì)的問(wèn)題。 

Ti3SiC22陶瓷  

在1972年，Nickl等人采用化學(xué)氣相沉積(CVD)法制備單晶時(shí)，發(fā)現(xiàn)了特別軟的碳化物Ti3SiC2。其硬度表現(xiàn)為各向異性，垂直于基面的硬度是平行于基面硬度的三倍。近年來(lái)，Ti3SiC2三元層狀碳化物因其兼具陶瓷和金屬的優(yōu)異性能而成為研究熱點(diǎn)。與超合金相比，Ti3SiC2具有優(yōu)異的高溫性能和疲勞損傷性能。在Ti3SiC2晶胞中，共棱的Ti6C八面體被緊密堆積的Si原子層所分隔，其中Ti與C之間為典型的強(qiáng)共價(jià)鍵，而Si原子層平面與Ti之間為類似于石墨層間的弱結(jié)合。Ti3SiC2熔點(diǎn)高達(dá)3000℃，在1700℃以下真空及惰性氣氛中不分解。

Ti3SiC2結(jié)構(gòu)中存在的層間弱結(jié)合力價(jià)鍵使其具有平行于基面的開(kāi)裂能力，在斷裂時(shí)表現(xiàn)出R曲線行為，韌性可達(dá)16MPa·m1/2.  Ti3SiC2陶瓷的制備方法通常有自蔓延高溫反應(yīng)法、等離子放電燒結(jié)法、反應(yīng)熱壓法等。以上工藝都需要采用成型模具，這些模具的制造成本高且周期長(zhǎng)，如果部件形狀太復(fù)雜，則可操作性差。這些因素制約了Ti3SiC2陶瓷的應(yīng)用，而三維打印成型工藝可克服以上工藝的不足。 

W．Sun等人的研究表明，采用三維打印制備的Ti3SiC2陶瓷件孔隙率高達(dá)50％～60％，而三維打印結(jié)合冷等靜壓和燒結(jié)工藝可制備出致密的Ti3SiC2陶瓷，致密度可達(dá)99％。制備過(guò)程為：先采用反應(yīng)熱壓法將Ti、石墨和SiC反應(yīng)生成Ti3SiC2，然后研磨成Ti3SiC2粉體；Ti3SiC2粉體與水溶基粘結(jié)劑混合干燥后球磨過(guò)篩，Ti3SiC2粉體顆粒表面被粘結(jié)劑包覆，過(guò)篩后的顆粒直徑為40um；

在三維打印過(guò)程中，水基溶液噴射在包覆粘結(jié)劑的Ti3SiC2，顆粒粉體上，Ti3SiC2顆粒被粘結(jié)成具有特定形狀的顆粒預(yù)制體；在冷等靜壓過(guò)程中Ti3SiC2顆粒預(yù)制體被致密化；燒結(jié)過(guò)程中，致密化的Ti3SiC2顆粒預(yù)制體被燒結(jié)成致密的陶瓷。  以上復(fù)合工藝具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，在制備新型陶瓷部件方面極具潛力。但是這種工藝的線收縮率較大，高達(dá)27％～32％。因此，如何克服三維打印工藝制備材料孔隙率大以及后處理工藝線收縮率大的不足成為研究的重點(diǎn)。  

Ti3SiC2增韌TiAl3-A1203復(fù)合材料 

TiAl3金屬間化合物具有低密度(3．3g／cm3)、高彈性模量(157GPa)、高熔點(diǎn)(1350～1400℃)和良好的抗氧化性能等優(yōu)點(diǎn)，有望用于航空、航天工業(yè)熱結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。但是，TiAl3的室溫?cái)嗔秧g性低(2MPa·m1/2)、難于成型的特點(diǎn)限制了其應(yīng)用。A1203具有高硬度(18GPa)和高模量(楊氏模量386GPa，剪切模量175GPa)，具有作為彌散相增強(qiáng)增韌的功能。而A1203增韌TiAl3復(fù)合材料(TiAl3-A1203)具有密度低、硬度高，抗腐蝕，抗磨損以及良好的高溫抗氧化性能。  熔體滲透法是將低熔點(diǎn)金屬熔化滲入多孔陶瓷中制備陶瓷一金屬以及陶瓷基復(fù)合材料的通用工藝。將熔體鋁滲入多孔氧化鈦陶瓷中可反應(yīng)合成TiAl3-A1203復(fù)合材料。 

目前，多孔陶瓷制備方法主要有冷壓成型結(jié)合高溫預(yù)燒結(jié)，熔體滲透工藝包括擠壓鑄造和氣壓滲透工藝。采用由30v01．％TiO2-70v01．％A1203組成的多孔陶瓷進(jìn)行擠壓鑄造或氣壓滲透Al，所制備的TiAl3-A1203復(fù)合材料具有相互穿插的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各相結(jié)合致密、取向隨機(jī)分布，其抗彎強(qiáng)度為543MPa、斷裂韌性8.6MPa· m1/2、硬度5.7GPa,如果在滲透過(guò)程中僅靠毛細(xì)管力使?jié)B透過(guò)程自發(fā)進(jìn)行，則稱之為無(wú)壓反應(yīng)熔體滲透工藝(簡(jiǎn)稱反應(yīng)熔俸滲透)。滲透速度取決于熔體在多孔陶瓷表面的潤(rùn)濕性，一般隨著滲透溫度的升高潤(rùn)濕性有所改善。  

采用粉體混合．成型，燒結(jié)工藝制備陶瓷或陶瓷基復(fù)合材料時(shí)，材料體積收縮高達(dá)20％；而反應(yīng)熔體滲透法成本低，可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的近尺寸制備以及多孔體的致密化。最近，Yin等人采用三維打印工藝制備氧化鈦多孔陶瓷，并采用無(wú)壓反應(yīng)熔體法滲透鋁，合成了TiAl3-A1203復(fù)合材料，建立了近尺寸制備復(fù)雜形狀TiAl3-A1203復(fù)合材料部件的工藝基礎(chǔ)。  A1203和TiAl3都是脆性材料，復(fù)合材料的斷裂韌性很難進(jìn)一步提高，并且抗熱震性能差，這成為制約TiAl3-A1203復(fù)合材料廣泛應(yīng)用的瓶頸。 

用于3D打印的陶瓷材料形態(tài)

漿料，陶瓷成分與其他溶劑及添加劑的混合物，通過(guò)物理、化學(xué)的方式成形；

陶瓷絲材，用于熔融堆積工藝；

陶瓷粉末，陶瓷粉末、礦化物、粘結(jié)劑等的混合物，用于激光燒結(jié)、粘接等；

陶瓷薄片，片壓成形、粘接。

3D打印陶瓷的用處

3D打印陶瓷市場(chǎng)目前最大的客戶群來(lái)自航空航天和國(guó)防行業(yè)，因?yàn)樗鼈兙鶎?duì)陶瓷制品（比如用于航天器的隔熱瓦）有大量需求；其次是健康醫(yī)療領(lǐng)域。在這個(gè)領(lǐng)域中，陶瓷多被用于制造醫(yī)療產(chǎn)品，比如假牙、手術(shù)器械、假肢、植入物，以及組織工程產(chǎn)品，因?yàn)樗哂惺謨?yōu)異的生物兼容性。