综述：陶瓷槽光聚合：多尺度视角

《Progress in Materials Science》：Ceramic vat photopolymerization: a multiscale perspective

　　

叶云|田宗军|焦晨|杨启祥|葛梦星|邵慧峰|张铎|何勇

中国浙江省杭州市310027，浙江大学机械工程学院，流体动力与机电系统国家重点实验室及良渚实验室

摘要

陶瓷的罐式光聚合（VPP）技术因其能够制造出结构复杂精细的部件而备受关注。然而，陶瓷VPP过程中显著的尺度依赖效应导致了一个普遍但尚未被充分理解的现象：打印出的生坯往往无法承受后续的热处理，即“可打印但不可烧结”。这一难题严重阻碍了陶瓷VPP技术的发展。这些问题根本源于难以完全理解和精确控制由结构特征引发的复杂多物理场耦合现象。在单步加工过程中，成型质量和精度受多种因素的复杂相互作用影响；而在多阶段集成制造流程中，上游工序产生的缺陷会在后续步骤中不断积累并放大。此外，某些几何结构本质上就不适合成型和热后处理，使得最终得到的部件极易出现变形、开裂以及尺寸精度下降的问题。本文综述了陶瓷VPP增材制造中的多尺度结构成型问题，重点探讨了多物理场耦合机制及其对成型质量的影响。为应对长工艺链和多物理场耦合带来的挑战，我们提出了一种具有四级优化的整体工艺链协调策略，以指导高质量多尺度陶瓷部件的可控制造。

引言

陶瓷的罐式光聚合（VPP）增材制造技术可追溯到20世纪80年代。1986年，Hull[1]提出了立体光刻（SLA）技术并成功实现商业化应用，为后续基于光固化的增材制造技术奠定了基础。对陶瓷VPP技术的系统研究始于20世纪90年代中期，Griffith、Halloran等人[2]首次证明了通过SLA技术实现三维陶瓷部件自由成型是可行的，并建立了相应的加工路线。从1996年到2010年，材料配方[3]、加工策略[4]以及设备性能[5]的持续改进，逐步提升了陶瓷VPP工艺的稳定性和可靠性。

2010年至2020年间，数字光处理（DLP）技术的应用显著提升了陶瓷VPP的性能。DLP技术能够实现高速区域投影，大幅提高了成型效率，同时也拓展了陶瓷部件的应用范围[6]。2012年，Hatzenbichler等人[7]利用基于DLP的陶瓷VPP技术制造出了高密度的氧化铝（Al₂O₃）、氮化硅（Si₃N₄）以及三钙磷酸盐（TCP）陶瓷，充分展现了该技术在制造高性能陶瓷部件方面的巨大潜力。此后，陶瓷VPP技术得到了快速发展，应用领域也日益多样化，尤其是在骨组织支架及其他生物医学构件的制造方面取得了显著进展。2013年，Scalera等人[8]成功利用SLA技术制备了用于修复骨缺损的羟基磷灰石（HA）支架，为个性化、结构复杂的骨植入物提供了极具前景且实用的制造方法。在接下来的十年里，大量研究工作致力于陶瓷VPP技术的发展，推动了材料开发、结构设计以及工艺优化等方面的不断进步。如今，基于VPP的陶瓷增材制造技术已引起广泛关注，在生物医学[12]、航空航天[13]以及电子和能源[14]等多个领域都得到了深入研究，这充分体现了该技术的重要研究价值以及广阔的应用前景。

尽管取得了这些进展，陶瓷VPP技术仍面临着“可打印但不可烧结”的长期难题：那些易于打印的陶瓷部件往往无法承受脱粘和烧结过程，这限制了高精度、高品质复杂陶瓷部件的批量生产。与聚合物和金属增材制造相比，陶瓷VPP的工艺链更为复杂[15]。能否制造出结构复杂的陶瓷部件，不仅取决于光聚合过程，还受到上游浆料制备以及下游脱粘和烧结过程的共同影响[16]。陶瓷粉末的存在进一步增加了制造的复杂性，尤其是在浆料流变学特性[17]、固化行为[18]以及打印过程中的缺陷形成[19]等方面。

因此，本综述从三个相互关联的层次维度总结了陶瓷VPP技术的发展进展：长度尺度（结构）、多物理场耦合以及端到端的工艺链。首先，我们总结了浆料配方和VPP加工过程中的耦合场机制，这些机制决定了部件的打印可行性、质量以及尺寸精度，同时还介绍了相应的优化策略。接着，我们回顾了多尺度陶瓷制造领域的最新进展，重点探讨了原料设计以及打印设备的相关内容。随后，我们分析了多尺度生坯在热后处理过程中的多物理场耦合现象，指出了关键影响因素及背后的作用机制。鉴于陶瓷VPP工艺流程的长度较长且各环节之间存在紧密耦合，我们进一步提出了一种综合性的多举措策略，用于在各加工阶段预防缺陷的产生。最后，我们概述了多尺度陶瓷技术面临的重大挑战以及基于VPP技术涌现出的新应用前景。总体而言，本综述梳理了当前关于陶瓷VPP技术中结构形成机制及优化路径的理解，为可靠地制造出结构复杂、接近最终形状的陶瓷部件提供了指导。更广泛地说，它还为预测性工艺控制、多尺度建模以及高性能陶瓷结构的实现提供了参考框架（见图1）。

章节节选

材料与设备决定了可制造的范围

在从宏观形态到微观特征的陶瓷部件制造过程中，所能实现的制造尺度以及尺寸精度取决于材料特性与打印设备之间的耦合关系。光学特性、流变行为以及分散稳定性共同构成了多尺度制造过程的基本限制条件。本节将系统阐述材料与设备之间的协同作用是如何决定

通过控制脱粘过程中的质量与热量传递来确保结构完整性

在多尺度陶瓷部件的整个热处理过程中，脱粘阶段是一个至关重要的步骤，各类缺陷往往容易在此阶段集中出现。由于光固化陶瓷以粘合剂作为光敏成分，因此在固化后会形成不可逆的三维交联聚合物网络[182]；正因如此，热脱粘便成为了当前陶瓷VPP技术中最常用的脱粘方法。这一过程涉及由质量与热量所引发的各种复杂效应

从材料创新到系统的浆料设计框架

在材料层面，传统框架下的多组分设计与优化往往需要在追求目标性能的过程中做出各种权衡与妥协。而基于原材料的机制驱动型创新则有望突破现有的性能限制，从而进一步提升VPP技术的多尺度制造能力。Kommanapalli等人[305]通过水相自由基反应合成了一种新型线性聚羧酸分散剂

未引用参考文献

[9].

CRediT作者贡献说明

叶云：写作——综述与编辑，写作——初稿，方法论，正式分析，概念构建。田宗军：写作——综述与编辑。焦晨：写作——综述与编辑。杨启祥：数据整理。葛梦星：写作——综述与编辑。邵慧峰：写作——综述与编辑。张铎：写作——综述与编辑。何勇：写作——综述与编辑。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（52235007、T2121004、52325504）、浙江省重点研发计划（2024SSYS0027）以及中国教育部基础学科拔尖计划（JYB2025XDXM210）的支持。