加泰羅尼亞理工大學(xué)在《Ceramics International》發(fā)表了題為《Additive manufacturing of sensor prototype based on 3D-extrusion-printed zirconia ceramics》的研究，采用了DIW墨水直寫陶瓷3D打印機(jī)來(lái)制備不同方向纖維取向的氧化鋯樣品，并通過(guò)銀導(dǎo)電墨水在樣品表面形成傳感器。
氧化鋯陶瓷，特別是摻雜8mol%氧化釔的版本，具有優(yōu)異的機(jī)械和功能特性，如高溫下的離子電導(dǎo)率、熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性，因此被廣泛應(yīng)用于固體氧化物燃料電池、傳感器和催化載體。然而，傳統(tǒng)制造技術(shù)耗時(shí)、成本高且設(shè)計(jì)復(fù)雜，限制了氧化鋯的進(jìn)一步應(yīng)用。此外，先進(jìn)陶瓷材料的加工難度和成本也很高，尤其是在燒結(jié)狀態(tài)下，因其堅(jiān)硬和易碎的特性。
本文研究開(kāi)發(fā)了致密的8Y–ZrO?氧化鋯樣品，以評(píng)估不同打印方向和絲材取向?qū)ζ錂C(jī)械性能的影響。結(jié)果顯示，收縮、密度和微觀結(jié)構(gòu)無(wú)顯著差異。通過(guò)彎曲測(cè)試及數(shù)字圖像相關(guān)分析，探討了打印方向和絲材取向?qū)悠穬?nèi)部缺陷特性的影響，以及這些缺陷對(duì)彎曲性能的影響。此外，基于3D打印氧化鋯基底制造了一種導(dǎo)電銀傳感器，并分析了其在彎曲載荷下的傳感響應(yīng)。
通過(guò)DIW成型的具有不同尺寸、打印方向和長(zhǎng)絲圖案的樣品的3D模型。
三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)與DIC分析相結(jié)合。
彎曲測(cè)試的代表性集成傳感器。
燒結(jié)樣品的光學(xué)圖像以及具有不同細(xì)絲取向的DIW基氧化鋯樣品的頂視圖和側(cè)視圖：(a1-a6) 0/90°，和 (b1-b6) ±45°。
圖5：（a）燒結(jié)氧化鋯樣品的FESEM顯微照片，絲狀取向?yàn)椤?5°，（b）從FESEM圖像獲得的晶粒尺寸分布。
研究通過(guò)FESEM對(duì)燒結(jié)后的氧化鋯樣品進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)分析，特別關(guān)注了±45°絲狀取向的樣品。結(jié)果顯示，樣品具有均勻的晶粒尺寸分布，平均晶粒大小約為0.5-1.0 μm。這種均勻的微觀結(jié)構(gòu)是材料具有良好機(jī)械性能的基礎(chǔ)。
圖6：不同打印設(shè)計(jì)的氧化鋯樣品的抗彎強(qiáng)度。
通過(guò)三點(diǎn)彎曲測(cè)試評(píng)估了不同打印方向和絲材取向?qū)ρ趸啒悠房箯潖?qiáng)度的影響。結(jié)果表明，水平打印方向和±45°細(xì)絲方向的樣品表現(xiàn)出最高的抗彎強(qiáng)度（約50 MPa），這可能歸因于該取向?qū)α鸭y擴(kuò)展的有效阻礙作用。
圖7：（a）實(shí)驗(yàn)示意圖；（b）不同打印設(shè)計(jì)在0.25%應(yīng)變下的應(yīng)變分布。
結(jié)合DIC技術(shù)分析了不同打印設(shè)計(jì)在受力下的應(yīng)變分布情況。結(jié)果顯示，±45°取向的樣品在受力時(shí)應(yīng)變分布更為均勻，而0/90°取向的樣品則表現(xiàn)出更集中的應(yīng)變區(qū)域，這可能與裂紋的起始和擴(kuò)展路徑有關(guān)。
圖8：DIW成形的氧化鋯斷裂樣品的橫截面形貌FESEM圖像。
通過(guò)FESEM觀察了DIW成形的氧化鋯斷裂樣品的橫截面形貌，分析了不同打印方向和絲材取向?qū)嗔研袨榈挠绊?。結(jié)果顯示，斷裂路徑與打印方向和絲材取向密切相關(guān)，特別是在層間結(jié)合處。
圖9：絲網(wǎng)印刷銀圖案的典型劃痕和臨界負(fù)載位置的FESEM顯微照片。
通過(guò)劃痕測(cè)試評(píng)估了絲網(wǎng)印刷銀圖案與氧化鋯基底之間的附著力。臨界負(fù)載（Lc）約為25 N，表明銀涂層與基底之間具有良好的結(jié)合強(qiáng)度。FESEM觀察顯示，在臨界負(fù)載下，銀涂層開(kāi)始出現(xiàn)裂紋和剝落現(xiàn)象。
圖10：(a)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)示意圖，(b)相對(duì)電阻變化率作為負(fù)載的函數(shù)。
研究了基于DIW的8Y-ZrO?傳感器在四點(diǎn)彎曲載荷下的電學(xué)響應(yīng)特性。結(jié)果顯示，傳感器的相對(duì)電阻變化率與施加的負(fù)載呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，表明其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。
圖11：附有銀涂層的斷裂氧化鋯樣品的橫截面FESEM圖像：（a）0/90°細(xì)絲取向，（b）±45°細(xì)絲取向。
通過(guò)FESEM觀察了附有銀涂層的斷裂氧化鋯樣品的橫截面，分析了不同細(xì)絲取向?qū)鞲衅鲾嗔研袨榈挠绊憽＝Y(jié)果顯示，±45°細(xì)絲取向的樣品在斷裂過(guò)程中表現(xiàn)出更復(fù)雜的裂紋路徑，可能與該取向的應(yīng)力分布有關(guān)。
圖12：經(jīng)DIW成型并進(jìn)行彎曲測(cè)試的氧化鋯樣品斷裂橫截面的FESEM顯微照片。
進(jìn)一步研究了DIW成型并進(jìn)行彎曲測(cè)試的氧化鋯樣品的斷裂機(jī)制，特別關(guān)注了層間結(jié)合和內(nèi)部缺陷對(duì)斷裂行為的影響。結(jié)果表明，層間結(jié)合強(qiáng)度和內(nèi)部孔隙率是影響材料斷裂韌性的關(guān)鍵因素。
打印方向（水平或垂直）和細(xì)絲方向（0/90°和±45°）顯著影響抗彎強(qiáng)度，其中水平打印方向和±45°細(xì)絲方向的樣品抗彎強(qiáng)度最高（50 MPa）。
斷裂表面分析顯示，燒結(jié)后與打印設(shè)計(jì)相關(guān)的缺陷是關(guān)鍵故障位置，尤其在水平打印樣品中，孔隙率較高且層間結(jié)合不良。
在3D打印氧化鋯基底上成功絲網(wǎng)印刷導(dǎo)電銀傳感器，研究表明其電阻與氧化鋯基底上的負(fù)載存在直接關(guān)系，拓展了傳感器在結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的應(yīng)用潛力。
全面解析森工DIW墨水直寫3D打印機(jī)在該類研究中功能匹配情況及需定制功能，幫助用戶更好地選擇合適的3D打印設(shè)備及功能模塊。
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