近日，南方科技大学机械与能源工程系助理教授白家鸣课题组2016级本科生郑天棋在陶瓷领域知名期刊 Ceramics International 发表关于高性能氧化铝陶瓷复合材料3D打印的最新研究成果，论文题目为“Development and evaluation of Al₂O₃–ZrO₂ composite processed by digital light 3D printing”。

新型陶瓷基材料具有高硬度、高强度、优异的耐热性、绝缘性和化学稳定性等特点，广泛应用于机械工程、生物、电子等领域。但由于其硬而脆的特性，陶瓷材料的成型加工一直是一大挑战。该研究巧妙利用数字光投影（Digital Light Processing, DLP）3D打印技术成型迅速、结构特征高保真的特点，成功制造了氧化锆增韧氧化铝（Zirconia Toughened Alumina，ZTA）陶瓷复合材料制件。

图1：数字光投影（DLP）3D打印技术

陶瓷浆料的配制、烧结温度及烧结工艺的选取是影响陶瓷材料性能的关键性因素。研究者针对DLP工艺，开发了具有低粘度，高固含量和均匀稳定分散的氧化铝（Al₂O₃）和氧化锆增韧氧化铝（ZTA）陶瓷浆料，并对其流变性和3D打印过程进行了研究和优化。通过热重分析实验，以及烧结温度和表面形貌分析，研究人员优化了脱脂和烧结工艺，最后成功打印成型复杂几何结构ZTA陶瓷制件。

图2：氧化铝（Al₂O₃）和氧化锆增韧氧化铝（ZTA）复合材料的表面形貌（层间结合）

图3：3D打印高硬度高韧性ZTA陶瓷制件

据介绍，与Al₂O₃相比，3D打印的ZTA制件在1600°C的烧结温度下具有较高的相对密度（99.4％）、良好的层间结合性能、显著提高的弯曲强度（516.7 MPa）和压痕断裂韧性（7.76 MPa m^{1 / 2}）。

该研究成果为高性能新型陶瓷的成型加工提供了新的选择，拓宽了陶瓷制件结构设计的自由度，具有广泛的应用前景。   

郑天棋于2016年9月进入南科大学习，2017年6月加入机械系暑期实习项目——清华大学3D打印项目。实习结束后，为深化参加实习项目时的研究，他以项目负责人的身份申请到了广东大学生科技创新培育专项资金，在原有概念的基础上与队友一起重新设计了一款横向3D打印机用于外太空桁架打印，并完成了仿真与地面验证。凭着这项设计，他申请了6项专利，并入选了2018 北美先进制造会议（ Manufacturing Science and Engineering Conference，MSEC）大学生设计制造竞赛决赛圈（全球前8），并代表团队前往美国德克萨斯农工大学展示团队的研究成果。

图4: 2018北美 MSEC大学生设计制造竞赛决赛圈项目展示

郑天棋于2018年9月进入机械系白家鸣课题组开始DLP 3D打印陶瓷复合材料的研究。2019年4月，他以项目负责人的身份申请到了省级大学生创新创业训练计划项目。同年5月，凭借优异的专业成绩和优秀的英语能力，郑天棋作为机械系和树德书院唯一入选学生，获南科大全额资助前往美国麻省理工学院（MIT）进行为期一年的交流学习。在南科大学习及MIT交流期间的优异表现，让他收获了UCLA, USC，WPI, BU, UC Davis, UW等多所大学的 PhD offer。目前他已接受美国加州大学洛杉矶分校（UCLA)的博士全额奖学金offer，继续3D打印方向的研究。

图5：郑天棋在MIT参加学术交流

谈及研究过程中的体验和感受，郑天棋说：“白老师课题组科研创新氛围浓厚。在课题组一年的学习实践中，我通过开展实验设计及验证相关科学问题，逐步对‘科研’有了更具象的认识，知道了如何做科研。非常感谢白老师和课题组师兄师姐对我的指导，也十分感谢南科大为本科生们提供宝贵科研平台及资源。”谈到未来的发展，他说：“我对学习新知识感到兴奋和喜悦，未来想参与不同领域的研究，以储备全面的知识背景为跨学科研究做准备。”

Ceramics International 是陶瓷类国际知名期刊（JCR一区期刊，在陶瓷类期刊中排名第二）。郑天棋为论文第一作者，南方科技大学为论文通讯单位，白家鸣为论文通讯作者。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0272884219335916

供稿单位：机械与能源工程系

通讯员：邓苏

编辑：吴一敏

主图设计：丘妍