增材制造陶瓷的强化策略：机制与工艺-结构-性能关系的多尺度综述

陶瓷材料凭借超高硬度、耐高温和化学惰性，在航空航天热端部件、生物医用植入体等极端环境中不可替代。然而，共价键/离子键的方向性导致陶瓷本征脆性，微裂纹即可引发灾难性断裂。增材制造（AM）虽能实现传统工艺无法企及的复杂构型，但逐层成型特征、烧结收缩、热应力演化等工艺固有缺陷进一步放大了脆性，使增材制造陶瓷长期局限于原型验证阶段。

现有综述存在三大关键空白：缺乏区分“真协同”与“线性叠加”的定量标准、未明确增材制造工艺约束与多机制协同的兼容性映射、未系统总结协同失效机制与负面案例。填补这些空白，不仅能指导增材制造陶瓷从“原型制造”走向“工业化应用”，更为航空航天、生物医学、国防、能源等安全关键领域提供高可靠性陶瓷部件的设计范式。

西南交通大学李琦教授团队长期致力于环境与可持续发展功能材料研究，在陶瓷增材制造与增韧领域开展了系统工作。近日，该团队在JMST期刊发表了综述，创新地建立了增材制造陶瓷多尺度协同增韧的统一定义与定量评价体系。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2026.08.021

文章简介

相关成果以“Toughening strategies for additively manufactured ceramics: A multiscale review of mechanisms and process-structure-property relationships”为题，发表于国际知名期刊《Journal of Materials Science & Technology》（中科院一区Top，JCR Q1，IF=16.8）。博士研究生邰浩云为第一作者，李琦教授、曹培政博士、苏州实验室王峰博士为共同通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金、四川省应用基础研究计划以及中央高校基本科研业务费科等项目的支持。

该综述创新地建立了AM陶瓷多尺度协同增韧的统一定义与定量评价体系，提出协同效率η（η≥1.1为真协同，1.0 <η<1.1为线性叠加，η≤1.0为机制拮抗），填补了领域定量标准空白。< pan>

在此基础上，剖析了三种协同模式的耦合机制：

• 空间协同（按应力场精准布局机制，η=1.22）
  

• 时间协同（裂纹扩展中级联激活，η=1.32）
  

• 功能协同（机制互补破解彼此瓶颈，η≥1.1）

讨论与总结

图1 增韧机制多尺度金字塔框架

该综述将增材制造陶瓷增韧机制重构为四类基本单元：

（1）纳米级被动增韧（相变/纳米复合），（2）微-介观被动增韧（颗粒/纤维/晶须），（3）介-宏观被动增韧（仿生结构），（4）全尺度主动增韧（自修复）。

系统评估了各单元与VPP、DIW、SLS、粘结剂喷射等主流工艺的兼容性，并指出纳米级和微-介观被动增韧具有中等兼容性，介-宏观被动增韧具有良好的工艺兼容性，而全尺度主动增韧则因高温烧结导致修复剂过早失活而兼容性较低。在此基础上，文章剖析了三种协同增韧模式的耦合机制：空间协同按应力场精准布局增韧机制，时间协同在裂纹扩展过程中级联激活多尺度能量耗散，功能协同通过增韧机制互补破解彼此性能瓶颈。典型案例包括基于螳螂虾双连续结构的VPP仿生复合材料（η=1.22）、冻铸与DIW协同的多级孔陶瓷（η=1.32）及Al₂O₃/SiCw/SiCp复合体系（η=1.28），验证了三种协同模式的性能增益均超过各机制线性叠加之和。同时，综述批判性总结了三大失效模式及其代表性负案例：工艺不兼容导致协同效率仅为0.68，界面失配使η降至0.86，尺度不兼容造成η约为0.88，均表现为性能劣于单机制体系，揭示了工艺缺陷对协同效应的抵消机制。

图2 多尺度协同增韧性能突破（强度-韧性Ashby图）

在成型工艺层面，文章梳理了光固化、挤出成型等主流技术的精度边界与适用体系；在结构设计层面，以仿生构型为切入点阐明了多尺度结构对陶瓷强韧化的关键作用；在增韧机制层面，总结了晶须增强、颗粒复合等策略的强化机理与性能增益，并通过Ashby性能图对各类材料体系进行了系统定位与横向比较。

在工业化层面，该综述指出当前存在的三大研究误区——将线性叠加误判为协同效应、仅关注实验室小样性能而忽视工艺可行性与批次稳定性、仅测试室温静态韧性而忽略实际服役环境下的性能演化——并识别出四大产业化瓶颈：缺乏定量表征与评价标准体系、缺少多尺度预测设计模型、AM工艺与多机制耦合的兼容性不足、批次稳定性与可靠性无法满足安全关键场景要求。针对上述瓶颈，文章提出了2–4年、5–8年、9–12年三阶段技术路线图，明确了从标准化到定向设计再到工业化应用的量化里程碑，涵盖标准规范制定、数据库构建、多物理场模型开发（预测误差≤15%）、协同体系η≥1.3且批次波动≤10%、大尺寸构件（≥500 mm）稳定制备及航空/医疗领域寿命验证等关键节点。

图3 协同增韧三大失效模式与负面案例

图4 领域三大研究误区警示

该综述打破了传统“单一机制试错优化”范式，提出了以工艺兼容性为前提、界面匹配为核心、尺度互补为基础的多尺度协同增韧设计准则，构建了“预测设计—精准制造—定量表征—服役验证”的端到端体系，为高性能增韧陶瓷的工程应用提供了系统性的技术路径与理论支撑。总体而言，增材制造正推动复杂结构陶瓷材料与部件从“经验试错”迈向“结构可设计、性能可预测”的新阶段，该综述为增材制造陶瓷在航空航天、生物医学、国防、能源等关键领域的工程化应用指明了发展路径。

作者简介

来源： 环境与可持续发展功能材料实验室

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