新型陶瓷3D打印工艺实现高精度微结构、多材料一体制造

日前，卡内基梅隆大学报道了一种基于气溶胶喷射的新型陶瓷3D打印技术（3D-AJP），可用于制造具有复杂微结构的高性能陶瓷材料。该技术通过无粘结剂、无辅助支撑的纳米打印工艺，实现了微尺度（最小特征尺寸20微米）的复杂陶瓷结构制造，且烧结后收缩率极低（2-6%）。研究展示了该技术在光催化、生物传感和微电子封装等多个领域的应用潜力。

3D气溶胶喷射打印（3D-AJP）示意图：以近乎零收缩率气溶胶喷射3D纳米打印复杂的三维陶瓷微结构。A) 利用AJ纳米粒子打印机中的超声雾化器，将基于氧化锌（ZnO）纳米粒子的墨水雾化，放大图像展示了墨水瓶中的纳米粒子（直径≈20纳米）以及单个液滴。B) 气溶胶（雾气）通过管路系统，利用惰性气体传输至沉积喷头。放大图像展示了由护套气体聚焦至基板上的松散排列的墨水流。C) 无辅助支撑的快速逐滴自由形态打印。放大图像展示了无需辅助支撑即可构建倾斜结构的机制。烧结后观察到的收缩率极低，证明了其接近净成形的制造效果。

3D-AJP技术的核心是利用气溶胶喷射打印，将纳米颗粒墨水精确沉积成复杂的三维微结构。它使用近乎无粘结剂的纳米颗粒墨水，避免了传统制造中因粘结剂去除而导致的高收缩率和结构缺陷。该技术能够实现最小特征尺寸为20微米的复杂结构，如微柱、螺旋和晶格，且具有高达30:1的纵横比。此外，它还具备多材料打印能力，能够将不同陶瓷材料（如氧化锌、二氧化钛、氧化锆）集成在同一结构中。

通过其他3D打印技术（如挤压打印、2PP和DLS）制造陶瓷。展示了在陶瓷制造中使用高含量粘合剂（左）和最低含量粘合剂（右）的前驱体墨水

该技术的烧结后线性收缩率仅为2-6%，远低于传统技术（如3D打印中的15-43%）。此外，3D-AJP技术能够快速制造复杂的陶瓷结构，且无需复杂的后处理步骤。 该研究展示了3D-AJP技术在多个领域的应用潜力。

通过3D气溶胶喷射打印技术实现的CAD设计与制造的氧化锌（ZnO）微晶格对比。高纵横比微晶格的光学图像（高度为1厘米，宽度为600微米）。不同陶瓷材料（即二氧化锆ZrO₂）微晶格的俯视图（左）和倾斜扫描电子显微镜（SEM）视图（右）

在光催化领域，研究者制造了ZnO（氧化锌）微晶格结构，并将其用于光催化降解甲基橙染料。结果表明，与传统块体ZnO相比，3D-AJP制造的ZnO微晶格在光催化效率上提高了400%，显示出显著的性能提升。

在生物传感领域，利用3D-AJP技术制造了用于检测乳腺癌生物标志物Her2的传感器。该传感器能够在22秒内检测到Her2生物标志物，检测限低至0.0193飞摩尔（fm），显示出极高的灵敏度。

气溶胶喷射纳米打印的复杂单材料与双材料陶瓷微结构。A) 多螺旋微结构的CAD设计（上）和扫描电子显微镜（SEM）图像（下）；B) 金字塔形微晶格的CAD设计（上）和SEM图像（下）；C) 氧化锌（ZnO）波浪形微墙的CAD设计（上）和SEM图像（下）。比例尺均为500微米。D) 打印的双材料金字塔形微晶格（左）以及能量散射X射线光谱（EDX）分析显示不同打印层上的锆（Zr）和锌（Zn）（右）。E) 其他双材料微晶格，包括顶部的二氧化钛（TiO₂）和底部的ZnO，EDX分析证实了其组成。同时展示了另一种双材料结构，即顶部的TiO₂和底部的二氧化锆（ZrO₂）。F) 混合陶瓷材料，包含氧化铝（Al₂O₃）、TiO₂和ZnO，EDX分析显示单个晶格中钛（Ti）、铝（Al）和锌（Zn）均匀分布。

此外，3D-AJP技术还展示了将ZnO、TiO2和ZrO2等多种陶瓷材料集成在同一结构中的能力，为制造高性能的催化、传感和光电设备提供了新的可能性。

总的来说，3D-AJP技术通过无粘结剂的纳米打印工艺，实现了复杂陶瓷微结构的高精度制造，且烧结后收缩率极低。该技术不仅在光催化和生物传感领域展示了显著的性能提升，还为制造多材料复合结构提供了新的可能性。3D-AJP技术有望在微电子封装、结构材料、生物医学传感、热障涂层和过滤技术等领域实现广泛应用，为高性能陶瓷材料的制造开辟了新的方向。

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注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。

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