DLP光固化3D打印氧化钇陶瓷光学性能的优化研究

来源：奇遇科技

氧化钇（Y₂O₃）陶瓷具有优异透明性，但传统制造方法难以生产复杂几何形状。增材制造技术可制作高分辨率3D结构，但打印过程中产生的缺陷和阶梯效应仍会影响透明度和表面质量。近日，韩国大田科学技术大学Hui-suk Yun团队在《Journal of Materials Science & Technology》发表了题为《Overcoming transparency limitations in 3D-printed yttria ceramics》的研究，探讨了DLP光固化3D打印技术制备了不同打印层厚度的氧化钇（Y₂O₃）透明陶瓷，重点研究了层厚度对其光学和机械性能的影响。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.11.019

研究内容
氧化钇（Y₂O₃）陶瓷在宽光谱范围内表现出优异的透明性，适用于激光窗口和光学器件。传统制造方法如CIP和SPS面临复杂几何形状的挑战，而增材制造（AM）技术如数字光处理（DLP）提供了更高的几何灵活性。然而，DLP打印的透明陶瓷在实现高透明度和表面质量方面仍存在光散射和阶梯现象等问题。

已有研究表明，层厚度影响增材制造陶瓷的固化深度、微观结构和透明度。薄层提高分辨率但易引入缺陷，厚层则可能导致过度固化和阶梯现象。优化层厚度有助于改善表面光洁度和透明度。现有研究集中于平面结构，但仍缺乏针对3D陶瓷的抛光技术。

为此，本文研究了层厚度对透明Y₂O₃陶瓷的微观结构、表面质量和光学性能的影响，并开发了一种经济实惠的3D抛光后处理方法，以提升DLP制备陶瓷的光学性能。

以下是文章的研究方法及数据：

△图1，3D抛光技术的示意图。

△图2，(a–e) 不同层厚（20、25、35、45 和 55 µm）打印的胚体表面显微结构，(f) 不同层厚打印的胚体密度。

△图3，(a) 掺杂Y₂O₃粉末的粒度分布，(b) 掺杂Y₂O₃粉末的扫描电镜（SEM）图像。(c) 层厚与粒度之间关系的示意图。

△图4，(a–e) 不同层厚（20、25、35、45 和 55 µm）制作的Y₂O₃烧结体的横截面显微结构。(f) 不同层厚制作的Y₂O₃烧结体的相对密度。

△图5，(a) 不同层厚的3D打印Y₂O₃陶瓷的收缩率，(b) 在线透射率，(c) 照片。

△图6，(a) 不同层厚的3D打印Y₂O₃陶瓷的弯曲强度，(b) 表面粗糙度。

△图7，(a) 表面粗糙度，(b) 在线透射率，(c) 使用不同方法抛光的Y₂O₃陶瓷照片。

△图8，Y₂O₃陶瓷Z轴表面的扫描电镜（SEM）图像：(a) 抛光前，使用以下组合抛光后的表面：(b) 离心抛光和SiC粉末，(c) 振动抛光和SiC粉末，(e) 离心抛光和Al₂O₃粉末，(f) 振动抛光和Al₂O₃粉末。(d) Z轴表面示意图。

△图9，Y₂O₃陶瓷的Z轴表面形貌：(a) 抛光前，使用以下组合抛光后的表面形貌：(b) 离心抛光和SiC粉末，(c) 振动抛光和SiC粉末，(e) 离心抛光和Al₂O₃粉末，(f) 振动抛光和Al₂O₃粉末。(d) XY轴和Z轴表面示意图。Y₂O₃陶瓷的XY轴表面形貌：(g) 抛光前，使用以下组合抛光后的表面形貌：(h) 离心抛光和SiC粉末，(i) 振动抛光和SiC粉末，(j) 平面抛光，(k) 离心抛光和Al₂O₃粉末，(l) 振动抛光和Al₂O₃粉末。

△图10，(a) 使用不同抛光方法的材料去除率，(b) 使用不同抛光粉末的材料去除率。3000目 (c) SiC 和 (e) Al₂O₃抛光粉末的扫描电镜（SEM）图像。使用 (d) 角形粉末颗粒和 (f) 圆形粉末颗粒进行表面抛光的示意图。

△图11，(a) 不同抛光方法下Y₂O₃陶瓷的材料去除率，(f) 在线透射率，(g) Y₂O₃陶瓷通过不同抛光方法抛光后的照片。Y₂O₃陶瓷通过 (b) 振动抛光和Al₂O₃粉末结合抛光后的Z轴表面形貌，(c) 与胶体SiO₂悬浮液结合抛光后的Z轴表面形貌。Y₂O₃陶瓷通过 (e) 振动抛光和Al₂O₃粉末结合抛光后的XY轴表面形貌，(f) 与胶体SiO₂悬浮液结合抛光后的XY轴表面形貌。Y₂O₃陶瓷表面XPS光谱 (h) 化学机械抛光前，(i) 化学机械抛光后。

△图12，(a) 梯度角穹顶、(b) 菲涅尔透镜和 (c) 三维透镜阵列的照片，分别显示振动辅助化学机械抛光前后的状态。

△图13，三维透镜阵列的CT图像：(a) 振动辅助化学机械抛光前，(b) 振动辅助化学机械抛光后。

结论
本研究探讨了层厚度对DLP陶瓷3D打印制备Y₂O₃陶瓷微观结构和表面质量的影响。结果表明，增加层厚度可使Y₂O₃陶瓷微观结构致密，透过率提高，且表面粗糙度降低。特别是在层厚度为45 µm时，陶瓷在波长1,100 nm处的透过率达97.73％，相对密度为99.95％。此外，采用振动辅助化学机械抛光技术，结合Al₂O₃粉末和胶体SiO₂溶液，实现了高效的3D透明Y₂O₃制备。该技术降低了表面粗糙度95.42%，提高了透过率66.12%，并消除了阶梯现象。优化层厚度和开发3D抛光技术成功提升了AM制备透明Y₂O₃陶瓷的光学性能。