在工業(yè)制造與生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，陶瓷材料因卓越的硬度、耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性成為摩擦學(xué)應(yīng)用的關(guān)鍵選擇。然而，傳統(tǒng)成型工藝在復(fù)雜結(jié)構(gòu)與高精度集成方面的局限性，長期制約著陶瓷部件的應(yīng)用邊界。增材制造技術(shù)的崛起，正通過3D打印的設(shè)計(jì)自由度與精度優(yōu)勢，推動(dòng)陶瓷耐摩擦部件向更廣闊的市場領(lǐng)域滲透。

近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表了

‘Additive Manufacturing of Advanced Structural Ceramics for Tribological Applications: Principles, Techniques, Microstructure and Properties’

文章對增材制造領(lǐng)域的原理和技術(shù)，以及相應(yīng)陶瓷的生產(chǎn)方法和加工要素進(jìn)行了論述。然后，根據(jù)其成分對用于增材制造的陶瓷材料進(jìn)行分類，總結(jié)了每種陶瓷體系在摩擦學(xué)方面的適用性和應(yīng)用領(lǐng)域。討論了傳統(tǒng)致密陶瓷、表面紋理、潤滑和表面涂層對不同摩擦學(xué)和力學(xué)性能的影響。研究團(tuán)隊(duì)還介紹了陶瓷增材制造技術(shù)在工業(yè)與生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的典型摩擦學(xué)應(yīng)用。接下來，3D科學(xué)谷將著重針對文中對于增材制造陶瓷材料的摩擦學(xué)應(yīng)用進(jìn)行分享。

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https://doi.org/10.3390/lubricants13030112

工業(yè)應(yīng)用：從切削刀具到傳動(dòng)系統(tǒng)

在工業(yè)切削場景中，刀具材料需同時(shí)滿足高溫耐磨性與結(jié)構(gòu)復(fù)雜性需求。目前，它們主要是通過燒結(jié)含有碳化鎢、碳化鈦、碳氮化鈦或其他類型硬相的陶瓷或金屬陶瓷粉末制成的?；诜勰┐策x區(qū)激光熔融(L-PBF)增材制造的金屬陶瓷在高溫下磨損率低，并且越來越多地用于實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。通過該技術(shù)制造B4C/Co 金屬陶瓷刀具的應(yīng)用已得到了驗(yàn)證。

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立體光刻技術(shù)（如DLP、SLA）則進(jìn)一步解鎖了微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)潛力——例如，采用DLP增材制造-3D打印技術(shù)制造的三角形氧化鋯刀具，刀具具有斷屑槽與蜂窩結(jié)構(gòu)，斷屑槽有效提升排屑效率并降低切削溫度，如圖a。

傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪磨損問題同樣受益于增材制造-3D打印技術(shù)。齒輪之間的嚙合程度影響齒輪之間的磨損程度，而增材制造的陶瓷齒輪具有更高的精度，并避免了嚙合問題引起的磨損。圖b、c、d 引用了3D打印高精度和高強(qiáng)度陶瓷齒輪的相關(guān)研究，包括Al?O?及其復(fù)合材料。

生物醫(yī)學(xué)：從骨植入體到牙科修復(fù)

人體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)對植入材料的摩擦學(xué)性能提出嚴(yán)苛要求。陶瓷材料（如氧化鋯、氧化鋁和羥基磷灰石比金屬材料具有更好的生物相容性和耐磨性。理想生物陶瓷醫(yī)用植入體的制造不僅與材料的成分有關(guān)，還受到其宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)的影響。因此，迫切需要開發(fā)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)成型技術(shù)。目前，增材制造為此提供了新的路徑。

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增材制造為陶瓷生物醫(yī)用部件提供了定制化解決方案。羥基磷灰石（HAP）支架通過SLA3D打印技術(shù)成型后，可實(shí)現(xiàn)與宿主骨的化學(xué)鍵合與機(jī)械互鎖，其生物安全性已在兔骨植入實(shí)驗(yàn)中得到驗(yàn)證。而磷酸鈣/聚合物復(fù)合支架（如CHAP/PLLA）則通過SLS 3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化，耐磨性較純聚合物支架顯著提升。

羥基磷灰石具有足夠的骨傳導(dǎo)性能和良好的生物親和力，足以與骨骼形成牢固的化學(xué)鍵和機(jī)械互鎖。綜述中引用了幾種典型的研究。圖（a）為研究人員將羥基磷灰石粉末混合到感光樹脂中，并通過SLA 3D打印技術(shù)形成復(fù)雜形狀的支架。他們最終制備了具有良好生物安全性的HAP樣品，可以植入兔頂骨中；圖（b）為研究人員利用SLS 3D打印技術(shù)制備的仿生骨支架，材料為磷酸鈣（Ca-P）/聚（羥基丁酸-羥基戊酸共聚酯）（PHBV）和碳酸羥基磷灰石（CHAP）/聚（L-乳酸）（PLLA）納米復(fù)合微球，其在機(jī)械性能和耐磨性方面均優(yōu)于純聚合物支架。

在牙科修復(fù)領(lǐng)域，氧化鋯陶瓷和氧化鋯基復(fù)合陶瓷因其優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性、力學(xué)性能、耐磨性和耐腐蝕性而在臨床上廣泛用作牙齒修復(fù)材料，該材料的3D打印應(yīng)用研究也尤為突出。例如，有研究人員通過DLP 3D打印制備高密度氧化鋯陶瓷冠，其維氏硬度達(dá)12.62 GPa，耐磨性達(dá)1.5 mg/min。

總結(jié)

綜述剖析了增材制造陶瓷材料在耐摩擦工業(yè)零部件和生物醫(yī)學(xué)植入物中的應(yīng)用與發(fā)展。為了進(jìn)一步提高材料的摩擦學(xué)性能，文章還提出了陶瓷增材制造技術(shù)需解決的挑戰(zhàn)，例如：

增材制造技術(shù)在陶瓷領(lǐng)域尚未成熟，制造工藝有待進(jìn)一步改進(jìn)，例如：在擠出式3D打印中改善陶瓷粉末與粘結(jié)復(fù)合材料的高溫流變性能；在光固化3D打印中優(yōu)化陶瓷粉末對漿料吸光度的影響；在粉末熔融3D打印中解決表面不規(guī)則問題；以及在粉末粘結(jié)3D打印中調(diào)控打印墨水的流變性能。不同增材制造技術(shù)與多材料體系的結(jié)合，可集成各自優(yōu)勢用于各類結(jié)構(gòu)/功能一體化應(yīng)用。通過融合多種機(jī)制與技術(shù)，設(shè)計(jì)新型表面織構(gòu)、表面潤滑及表面涂層，可最大化提升陶瓷的摩擦磨損性能，這代表了新的研究方向。

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