DLP 3D打印“无裂纹”高性能陶瓷型芯，北航、清华、君璟科技联合攻关

导读：涡轮叶片被誉为航空发动机的“心脏”，随着航空工业对发动机推重比和耐温性能要求的不断提高，如何在叶片内部制造出复杂的冷却通道结构成为技术突破的关键。

传统陶瓷型芯制造工艺面临周期长、成本高、难以制造复杂空心双壁结构等挑战。而近年来兴起的数字光处理（DLP）3D打印技术为这一难题提供了新的解决方案。

1. 研究成果

2026年2月7日，南极熊获悉，近日《Ceramics International》 期刊上发表了一项重要研究。君璟科技与北京航空航天大学袁松梅教授、清华大学褚祥诚副研究员科研团队，系统性地解决了DLP技术制备陶瓷型芯过程中面临的浆料综合性能不足与层间裂纹缺陷两大核心技术难题。通过多维度的浆料性能评价和工艺参数优化，成功制备出表面质量高、层间结合强度大、无宏观裂纹的硅基陶瓷型芯。

据悉，本次所有研究采用的是君璟科技高精度光固化DLP陶瓷3D打印设备，该研究为制备大尺寸无缺陷复杂结构陶芯提供了系统性解决方案

2. 研究内容

图1 陶瓷型芯打印工艺

2.1时间尺度粘度

在DLP打印过程中，浆料性能直接影响最终产品的质量。传统评价方法主要关注不同剪切速率下的粘度变化，却忽略了实际印刷过程中粘度随时间的动态演变。研究团队创新性地提出了“时间尺度粘度”概念，建立了剪切速率与刮刀速度之间的映射关系，为工艺参数的精确控制提供了理论依据。

图2 不同分散体系的粘度和剪切应力测试结果

2.2高效分散体系

陶瓷浆料的性能很大程度上取决于粉末颗粒的分散状态。研究团队对四种分散剂进行了系统研究：20000、41000、KOS110以及自主开发的JJ-86分散体系。实验结果显示，JJ-86分散剂表现出卓越的分散性能。通过测量储能模量和损耗模量，揭示内部微观作用力。当损耗因子tan δ≥1时，浆料在时间尺度上的性能更加稳定，剪切稀化现象显著减弱。添加4.8% JJ-86分散剂的浆料，其表观接触角降至47.76°，远低于其他体系。这意味着JJ-86分散剂具有优异的界面润湿性能，有助于浆料的自流平性和铺展均匀性。

图3 不同分散体系的储能模量、损耗模量及表观接触角

2.3固化性能与表面质量

固化性能是评价陶瓷浆料适用性的关键指标。研究团队通过Jacobs基本工作曲线方程（Beer-Lambert定律）对不同分散体系的固化性能进行了系统评价。研究发现，JJ-86分散体系具有更高的固化效率和更均匀的固化效果，即使在67 vol%的高固含量下，JJ-86分散体系的浆料仍保持良好的固化能力。

表面质量是陶瓷芯性能的重要指标。研究团队对不同分散体系固化单层的表面粗糙度进行系统测试发现，JJ-86体系固化表面的最大Ra和Sa分别低于2.0μm和3.0μm，远优于其他分散体系，为后续烧结过程提供了优质的坯体基础。

图4 不同分散体系的固化性能

图5 不同分散体系固化单层的表面质量

2.4层厚参数协同

在DLP打印中，层厚参数直接影响层间结合强度和最终产品的完整性。团队系统研究了30 μm、60 μm、90 μm和120 μm四种层厚对陶瓷型芯性能的影响。研究表明，层厚越小，层间结合越好。30 μm和60 μm层厚的样品表现出优异的层间结合性能，拉伸强度分别达到10.377 MPa和10.862 MPa。随着层厚增加至90μm和120μm，层间结合强度显著下降，这与SEM观察到的层状结构加剧现象一致。

图6 不同层厚生坯的层间形貌

图7 不同层厚打印的生坯层间结合强度

烧结是陶瓷芯制备的最后关键步骤，烧结质量直接决定最终产品的性能。研究团队对不同层厚烧结陶瓷的形貌和应变机制进行了深入研究。研究发现，刮料厚度与切片层厚的比值对烧结质量有重要影响。当比值合适时，可有效防止打印部件产生孔隙缺陷。应变机制分析表明，层厚越大，远光侧表面和近光侧表面的聚合网络结构和交联密度差异越显著，导致烧结后样品产生弯曲形变。

目前，脱脂和烧结较大厚度尺寸的DLP实心陶瓷仍是制约该技术大规模生产的挑战。通过浆料的多维优化和打印层厚参数的协同控制，成功烧结制备出了较大Z轴尺寸的实心陶瓷，为较大厚度尺寸陶瓷部件的DLP打印和未来工业化生产提供了可行的技术策略。

图8 不同层厚参数烧结陶瓷的表面形貌与变形机制

图9 不同层厚的印刷、脱脂和烧结陶瓷

3.研究结论

(1) JJ-86分散剂的高效分散性体现在：在整个剪切速率范围（0.1 s⁻¹-1000 s⁻¹）内，其CDC值更低且具有更优的近牛顿流体特性，JJ-86分散体系浆料的TSV特性有利于刮料行为的稳定性。

(2) 添加4.8% JJ-86分散剂后，平均表观接触角低至47.76◦，表明JJ-86分散剂的界面润湿与分散效果更显著，浆料的自流平与铺展性能得到改善。

(3) 添加JJ-86分散剂的浆料具有高扩散系数（Dp = 171.55, R² = 0.979），使67vol.%浆料仍保持良好固化能力，可在较低刮料速度下实现打印。不同曝光能量下单层固化表面的最大Ra值和Sa值分别低于2.0 μm和3.0 μm，表明采用该分散体系浆料制备的陶瓷素坯固化质量更优。

(4) 随着层厚（LT）的增加，生坯中的分层现象日益明显，这与远光侧（FS）和近光侧（NS）之间的差异密切相关。层厚为30 μm和60 μm的陶瓷样品具有更优异的层间粘结强度，分别为10.377 MPa和10.862 MPa。

(5) 通过协同控制刮料厚度与层厚的比值、高效分散剂以及较小切片层厚，获得了Ra和Sa值分别为2.5 μm和3.3 μm的高质量陶瓷样品且烧结表面平整。成功制备出较大厚度尺寸的陶瓷型芯样品。

这项研究不仅为DLP技术制备高性能陶瓷芯提供了系统的解决方案，也为其他光固化陶瓷材料的开发和应用提供了重要参考。君璟科技通过产学研深度合作，成功将前沿科研成果转化为实际生产力，展现了国内企业在高端制造领域的创新实力。

文章引用信息：

Liu Y, Yuan S, Niu P, et al. Multi-dimensional optimization of slurry and synergistic suppression of interlayer cracking by layer thickness in DLP 3D printing silica-based ceramic cores[J]. Ceramics International, 2025.

技术合作单位：

北京航空航天大学机械工程及自动化学院

清华大学材料学院新型陶瓷材料全国重点实验室

君璟科技

https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2025.08.064