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打印機來制備不同方向纖維取向的氧化鋯樣品，并通過銀導(dǎo)電墨水在樣品表面形成傳感器。

研究背景

氧化鋯陶瓷，特別是摻雜8mol%氧化釔的版本，具有優(yōu)異的機械和功能特性，如高溫下的離子電導(dǎo)率、熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性，因此被普遍應(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、成本高且設(shè)計復(fù)雜，限制了氧化鋯的進一步應(yīng)用。此外，先進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，因其堅硬和易碎的特性。

本文研究開發(fā)了致密的8Y–ZrO?氧化鋯樣品，以評估不同打印方向和絲材取向?qū)ζ錂C械性能的影響。結(jié)果顯示，收縮、密度和微觀結(jié)構(gòu)無明顯差異。通過彎曲測試及數(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)。

研究結(jié)果

圖5：（a）燒結(jié)氧化鋯樣品的FESEM顯微照片，絲狀取向為±45°，（b）從FESEM圖像獲得的晶粒尺寸分布。

微觀結(jié)構(gòu)分析

研究通過FESEM對燒結(jié)后的氧化鋯樣品進行了微觀結(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)是材料具有良好機械性能的基礎(chǔ)。

圖6：不同打印設(shè)計的氧化鋯樣品的抗彎強度。

抗彎強度測試

通過三點彎曲測試評估了不同打印方向和絲材取向?qū)ρ趸啒悠房箯潖姸鹊挠绊?。結(jié)果表明，水平打印方向和±45°細(xì)絲方向的樣品表現(xiàn)出最高的抗彎強度（約50 MPa），這可能歸因于該取向?qū)α鸭y擴展的有效阻礙作用。

圖7：（a）實驗示意圖；（b）不同打印設(shè)計在0.25%應(yīng)變下的應(yīng)變分布。

應(yīng)變分布分析

結(jié)合DIC技術(shù)分析了不同打印設(shè)計在受力下的應(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。

斷裂表面分析

通過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。

傳感器研究

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。

銀涂層附著力測試

通過劃痕測試評估了絲網(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)合強度。FESEM觀察顯示，在臨界負(fù)載下，銀涂層開始出現(xiàn)裂紋和剝落現(xiàn)象。

圖10：(a)四點彎曲試驗示意圖，(b)相對電阻變化率作為負(fù)載的函數(shù)。

傳感性能測試

研究了基于DIW的8Y-ZrO?傳感器在四點彎曲載荷下的電學(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)測領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價值。

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。

傳感器斷裂分析

通過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?。結(jié)果顯示，±45°細(xì)絲取向的樣品在斷裂過程中表現(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成型并進行彎曲測試的氧化鋯樣品斷裂橫截面的FESEM顯微照片。

斷裂機制研究

進一步研究了DIW成型并進行彎曲測試的氧化鋯樣品的斷裂機制，特別關(guān)注了層間結(jié)合和內(nèi)部缺陷對斷裂行為的影響。結(jié)果表明，層間結(jié)合強度和內(nèi)部孔隙率是影響材料斷裂韌性的關(guān)鍵因素。