科学网—天津大学郭安然/北京航空材料研究院李鑫：基于蓝晶石高温膨胀，实现光固化3 D打印陶瓷型芯超高热稳定性-清华大学出版社学术期刊的博文
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2026-5-20 09:21
| 个人分类: JAC | 系统分类: 论文交流
原文出自 Journal of Advanced Ceramics ( 先进陶瓷 ) 期刊
Cite this article: Wang B, Wang Z, Li X, et al. Achieving superior thermal stability in vat photopolymerized silica-based ceramic cores via kyanite-induced expansion compensation. Journal of Advanced Ceramics , 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221313
文章 DOI ： 10.26599/JAC.2026.9221313
ResearchGate ： Achieving superior thermal stability in vat photopolymerized silica-based ceramic cores via kyanite-induced expansion compensation
基金支持： 本工作得到国家自然科学基金（ No. 52172072 ）的资助。
一、 导读
3D 打印技术已逐渐成为制造复杂陶瓷型芯的新路径，但通该方法制备的陶瓷型芯仍面临烧结 / 铸造收缩大与高温易变形等问题。本研究提出 “ 蓝晶石高温分解膨胀补偿 ” 策略，阐明了蓝晶石分解产生的柱状莫来石骨架对陶瓷型芯综合性能的影响机制。结合构建的陶瓷型芯质量指数（ CQI ）模型，在最优工艺下（ 15wt.% 含量蓝晶石，烧结温度为 1225℃ ），型芯烧结与模拟铸造收缩率分别骤降至 3.06% 和 0.86% ，高温挠度仅 0.82mm ，室温与高温抗弯强度达 10.06MPa 和 27.05 MPa ， CQI 评分达到最大值 78.85 。本研究实现了陶瓷型芯烧结 / 铸造尺寸精度与高温性能的协同突破，为陶瓷型芯的制造提供了理论与技术支撑。
二、 研究背景
为提升航空发动机涡轮叶片的耐温极限，涡轮叶片内部气冷结构日益复杂，，这对作为 “ 成孔模板 ” 的陶瓷型芯提出了极高要求。光固化 3D 打印虽为复杂陶瓷型芯的制造开辟了新路径，但仍受限于烧结 / 铸造收缩过大和高温易变形等问题。为此，本研究提出了“蓝晶石高温分解膨胀补偿烧结 / 铸造收缩”的改性策略。系统探究了材料组分与烧结温度的影响，揭示了蓝晶石的高温膨胀补偿机制，并分析了蓝晶石分解产生的柱状莫来石骨架对型芯微观结构与宏观性能的影响机制。结合所构建的陶瓷型芯质量指数（ CQI ）模型进行综合评估，成功实现了型芯尺寸精度与高温性能的协同突破，为 3D 打印高性能陶瓷型芯提供了关键技术支撑。
三、文章亮点
（ 1 ）利用蓝晶石在高温下的体积膨胀，实现陶瓷型芯烧结收缩与铸造收缩的双重补偿。
（ 2 ）基于全流程热膨胀分析，揭示了蓝晶石膨胀效应对铸造过程中的陶瓷型芯的高温尺寸稳定性和抗蠕变性能的增强机制。
（ 3 ）构建了一种基于综合性能指数（ CQI ）的光固化陶瓷型芯多目标优化评价体系，为陶瓷型芯的综合性能评价提供了新方法。
四、研究结果及结论
本研究采用光固化 3D 打印技术制备了多组硅基陶瓷型芯，包括未添加莫来石 / 蓝晶石粉体的空白样（ C0 组）、添加不同比例莫来石颗粒的 M 系列，以及添加不同比例蓝晶石颗粒的 K 系列；所有样品均分别在 1150 ℃ 、 1175 ℃ 、 1200 ℃ 、 1225 ℃ 和 1250 ℃ 下完成脱脂与高温烧结。并系统研究蓝晶石与莫来石对陶瓷综合性能的影响。
图 1 蓝晶石 / 莫来石为 0 与 15 wt.% 的陶瓷型芯在 1150 ℃ 、 1200 ℃ 、 1250 ℃ 烧结后的 SEM 形貌图
图 2 (a) 1225 ℃ 烧结、不同蓝晶石 / 莫来石含量陶瓷型芯的 XRD 图谱； (b) 15 wt.% 蓝晶石 / 莫来石含量、不同烧结温度下陶瓷型芯的 XRD 图谱； (c) 不同蓝晶石 / 莫来石含量及烧结温度条件下硅基陶瓷型芯的方石英含量变化
图 3 不同烧结温度下、不同蓝晶石 / 莫来石含量陶瓷型芯的热膨胀曲线 (a) C0, (b)K05&M05, (c) K10&M10, (d) K15&M15, (e) K20&M20
由图 3a 可见，提高烧结温度可显著降低 C0 试样的高温线收缩率。图 3a-e 的整体变化趋势表明，型芯的总线收缩率随蓝晶石 / 莫来石含量的增加呈逐步下降趋势。值得注意的是，与直接添加莫来石的陶瓷型芯相比（图 3d 、 3e ），高蓝晶石含量的试样呈现出截然不同的高温热膨胀变化。为对该热膨胀演变过程进行定量表征，本研究将热膨胀过程划分为 7 个特征阶段（表 1 ）。图 4 中为计算得到了各温度区间的热变形量 (ΔKi) 的曲线图。
表 1 热膨胀曲线特征区间
图 4 不同烧结温度下、不同蓝晶石 / 莫来石含量陶瓷型芯的 ΔK 值
图 5 1540 ℃测试温度下陶瓷型芯的高温挠度： (a) 挠度变化趋势三维柱状图； (b) 挠度二维热力图
图 6 蓝晶石 / 莫来石含量及烧结温度对陶瓷型芯性能的影响： (a1, a2) 收缩率； (b1–b4) 抗弯强度与高温抗弯性能； (c1, c2) 孔隙率、铸造后孔隙率及溶失性。
收缩率（烧结收缩与铸造收缩）： 提高烧结温度会加剧型芯的烧结收缩，但能有效降低其后续的铸造收缩。相反，引入蓝晶石后，其在高温下分解产生的体积膨胀能够有力抵消基体的致密化进程。因此，随着蓝晶石含量的增加，型芯的烧结收缩率和铸造收缩率均被显著抑制，并在高含量下趋近于零收缩。
抗弯强度与高温抗弯性能： 型芯的室温抗弯强度随烧结温度的升高而整体提升，并在 1225 ℃ 时因适量方石英的析出达到峰值。在高温性能方面，适量添加蓝晶石可有效提升高温抗弯强度。然而，一旦蓝晶石含量过高，其过度分解产生的孔隙，加之过量方石英相变诱发的微裂纹，会严重破坏结构连续性，导致室温与高温抗弯强度均出现显著劣化。
孔隙率、铸造后孔隙率及溶失性： 单纯提高烧结温度会导致孔隙率大幅下降 。但蓝晶石的加入能有效抵抗这种致密化，使型芯在烧结后和铸造后均能维持较高的孔隙率水平。在此基础上，型芯的溶失性随蓝晶石含量呈现“先升后降”的趋势：起初孔隙率的增加为碱液渗透提供了通道（溶失性提升）；但当孔隙率趋于稳定后，过量蓝晶石分解产生的大量难溶莫来石反而构成了物理屏障，阻碍了型芯的进一步溶解。
图 7 (a) 陶瓷型芯烧结态与模拟铸造热处理后的 XRD 图谱； (b–d) 1150 ℃ 烧结陶瓷型芯经模拟铸造热处理后的 SEM 形貌； (e) 柱状晶的 EDS 能谱分析。
图 8 陶瓷型芯多维度性能对比分析： (a1) 陶瓷型芯多维度原始性能数据雷达图； (a2) 归一化性能评价指标雷达图； (b1) 蓝晶石含量与烧结温度对陶瓷型芯质量指数（ CQI ）交互作用的响应面图； (b2) 响应面对应的二维等高线投影图。
基于所构建的陶瓷型芯质量指数（ CQI ）数学模型，当烧结温度为 1225 ℃、蓝晶石含量为 15 wt.% 时， CQI 达到全局最大值（ 78.85 ）。在此最优工艺条件下，犹豫蓝晶石在高温作用下的体积膨胀可有效抵消陶瓷型芯的烧结收缩，并使型芯的铸造收缩率维持在极低水平。该工艺条件下制备的陶瓷型芯不仅兼具优异的室温与高温抗弯强度，且具有极低高温挠度。此外，型芯在铸造后保留的较高孔隙率，也为后续化学脱芯工艺的高效浸出提供了坚实保障。
五、作者及研究团队简介
郭安然（通讯作者） ，天津大学材料科学与工程学院副教授，博士生导师，主要从事氧化物多孔陶瓷（如氧化硅、氧化铝、莫来石、氧化锆等）的结构设计、成型工艺及其工程化应用研究，承担科技委创新项目、国家自然科学基金、航空科学基金、航天一院联合基金以及各类应用型项目 20 余项，发表论文 30 余篇。以第一 / 通讯作者在 J. Adv. Ceram., J. Am. Ceram. Soc., J. Eur. Ceram. Soc. 等期刊发表论文 30 余篇。
个人主页： https://mse.tju.edu.cn/info/1142/1500.htm
作者邮箱： arguo@tju.edu.cn
王博冉（第一作者） ，天津大学材料科学与工程学院博士研究生。研究方向为陶瓷增材制造。
作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的相关代表作：
1 ） Wu J, Ma X, Hu X, et al. New class of high-entropy pseudobrookite titanate with excellent thermal stability, low thermal expansion coefficient, and low thermal conductivity. Journal of Advanced Ceramics , 2022, 11(10): 1654-1670. https://doi.org/10.1007/s40145-022-0638-7
《先进陶瓷（英文）》（ Journal of Advanced Ceramics ） 期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于 2012 年创刊， 清华大学 主办， 清华大学出版社 出版， 清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室 提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被 SCIE 、 Ei Compendex 、 Scopus 、 DOAJ 、 CSCD 等数据库收录。现为月刊， 2025 年发文量为 202 篇； 2025 年 6 月发布的影响因子为 16.6 ，连续 5 年位列 Web of Science 核心合集 “ 材料科学，陶瓷 ” 学科 34 种同类期刊第 1 名； 2024 年 11 月入选 “ 中国科技期刊卓越行动计划二期 ” 英文领军期刊项目； 2025 年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学 1 区 Top 期刊。 2023 年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台 SciOpen 独家发布，标志着该刊结束多年来 “ 借船出海 ” 的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。
期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
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