導語：

澳大利亞詹姆斯庫克大學（JCU）的研究團隊宣布他們開發出了能夠彎曲1萬次而不斷裂的3D打印陶瓷材料時，并得到了洛克希德·馬丁公司青睞。

根據公開信息，這種具有1.7GPa抗彎強度的柔性陶瓷不僅能承受2000-3000℃的極端溫度，更能在馬赫5+的超音速環境中保持結構完整性。

相比之下，傳統陶瓷材料在承受相同載荷約20%時就會發生斷裂。

這項突破背后的關鍵人物是JCU機械工程系的Elsa Antunes博士。

洛克希德馬丁這家美軍工巨頭，已經與JCU簽署合作協議，將在未來一年內對這種材料進行極限測試。

軍工巨頭的青睞與超音速夢想

洛克希德·馬丁的介入絕非偶然，其以開發尖端隱形飛行器而聞名。

從冷戰時期的SR-71黑鳥偵察機到現代的F-35多用途戰斗機，洛克希德·馬丁一直在推動美航空航天技術發展。

Antunes博士指出："這些陶瓷能夠帶你飛到馬赫5以上，這已經進入了超音速領域。我們能夠同時實現復雜形狀的制造，以及具有可彎曲性、延長使用壽命并能承受航空航天所需極高溫度的陶瓷。"

昆士蘭州國防科學聯盟通過其合作研究資助計劃為這個項目提供了資金支持。

JCU團隊將制造用于飛機熱管理的陶瓷部件，而洛克希德·馬丁將對這些部件進行真實環境下的極限測試。

Antunes博士強調："即使我們施加80%的最大載荷，我們發現經過10,000次循環后，零件也沒有斷裂。市場上現有的普通陶瓷材料只能承受該載荷的20%就會斷裂。"

技術細節的神秘面紗
盡管這項突破引起了巨大關注，但公開信息并未披露足夠的技術細節。
我們只能從Antunes博士此前在陶瓷3D打印領域的研究積累中窺見一斑。
作為該領域的權威專家，她深度參與了陶瓷增材制造技術的系統性研究，這為理解當前突破提供了重要背景。

正是基于這樣的背景，我們有必要回顧一下陶瓷3D打印技術的整體發展脈絡。

一份由她發表在《Advanced Flexible Ceramics》期刊上的最新綜述為我們展現了這個領域的完整技術圖譜。

雖然這份研究與JCU的最新突破并無直接關聯，但它為我們理解陶瓷3D打印的技術邊界和推測提供寶貴參考。

文末有獲取完整綜述的方式。

在文章的最后，AM易道會提出對于此次開發的洛馬柔性陶瓷3D打印的技術分析和猜想。

陶瓷3D打印演進的完整脈絡

如圖9.1"三維打印過程的一般工作流程"所示，從工程需求分析到零件設計、預處理、3D打印、后處理直至最終零件的完整流程體現了陶瓷3D打印的系統性特征。

這個工作流程強調了每個環節的重要性，特別是預處理和后處理階段對最終產品質量的決定性影響。

陶瓷3D打印技術的發展可以追溯到1990年代，經過數十年的發展，現在的陶瓷3D打印技術已經形成了三大技術分支，每一條路徑都有著獨特的技術特征和應用前景。

三條技術路徑的深度解析

圖9.2三維打印工藝分類清晰地展示了陶瓷3D打印技術的三大類別：漿料基工藝、粉末基工藝和塊狀固體材料工藝。

這種分類方式基于原料的物理狀態，每種類別下又細分為多種具體技術，形成了一個完整的技術譜系。

漿料基工藝的3D打印

漿料基工藝將細小的陶瓷顆粒分散在液體介質中，通過添加合適的添加劑形成墨水或漿料。

如圖9.3漿料基工藝的工作流程所展示的，從漿料制備開始，經過CAD輸入、預處理、3D打印，再到脫脂和燒結等熱處理后處理步驟，最終得到成品零件。

這個流程圖特別強調了漿料制備階段的復雜性，包括光固化樹脂、分散劑、粘結劑和陶瓷粉末的精確配比。

SLA技術的核心在于將陶瓷顆粒混入光固化聚合物樹脂中，通過數字微鏡設備或掃描振鏡選擇性地暴露在合適的光源下。

光源的選擇至關重要—激光系統雖然曝光面積小但速度較慢，而光投影系統能夠覆蓋整個構建區域。

根據光源位置的不同，SLA又分為自上而下和自下而上兩種方式。

綜述詳細講述了兩種方式的優劣。

商業化應用中，自下而上方式使用較多。

原因包括暴露于輻射源的漿料層的一致性，可以使用固含量增加的漿料來限制后處理過程中的收縮。

最后，為了生產最終組件，這些陶瓷經過脫脂以燒除粘結劑，然后進行致密化以獲得所需的強度。

機器人澆注是陶瓷制造的多功能工具，能夠在不同長度尺度上處理多種陶瓷。

此外，由于漿料制備過程中粘結劑含量較低，后處理后可以實現高密度。當連接到進料系統的噴嘴沿著其定義的路徑移動時，漿料被精確地沉積在每一層上。

設置的簡單性使得能夠使用多個陶瓷漿料以及多個噴嘴和進料系統。

陶瓷3D打印粉末基工藝

粉末基增材制造工藝利用獨特的結合系統將陶瓷顆粒粘結或熔合在一起。

最常用的是CO?激光器或Nd:YAG激光器，激光功率取決于所需的結合機制，可分為選擇性激光熔化（SLM）和選擇性激光燒結（SLS）。

SLM需要高功率激光將陶瓷顆粒加熱到Tm/2和Tm（熔點）之間的溫度，使陶瓷顆粒熔合。

激光源選擇性地掃描粉末床以熔合粉末層上的陶瓷顆粒。

完成后，構建板降低到層厚度的高度，在其上沉積一層新的粉末層。這個過程對每個后續層重復以形成三維零件。

陶瓷的高熔點使其極難加工，為了最小化所需的熱量，通常使用低溫液相來促進燒結過程（液相輔助燒結）。

在陶瓷原料中混合的液相先熔化并結合陶瓷顆粒形成致密的陶瓷零件。

SLS陶瓷可以直接或間接進行。直接技術涉及加熱陶瓷粉末并將它們部分熔合在一起。需要顆粒尺寸的組合來獲得粉末的高堆積密度。

間接方法使用低溫基質相，如聚合物。

激光源使這些犧牲聚合物結合，形成必須燒結以獲得所需強度的最終組件的生坯。

粘結劑噴射是一種增材制造工藝，利用合適的結合劑粘附陶瓷顆粒形成生坯。結合劑選擇性地應用于粉末表面以產生單層，然后降低構建板以允許沉積新的粉末層。這個過程重復多次以產生最終的三維組件。

陶瓷3D打印固體材料工藝

塊狀固體材料的陶瓷增材制造方法使用由絲材形式的固體原料組成的材料擠出工藝。

這些絲材含有超過45體積百分比的陶瓷粉末，混合在合適的粘結劑中以確保它們可以擠出成連續絲材。

這個過程與陶瓷注射成型非常相似，可以生產各種尺寸的零件。

如圖9.4陶瓷顆粒尺寸對熔融絲制造可實現分辨率的影響所示，顆粒尺寸對最終產品分辨率有著直接影響。

圖中藍色虛線框代表所需的零件分辨率，而紅色顆粒代表過大的顆粒，這些顆粒會導致零件分辨率的損失。

這個示意圖清楚地表明，陶瓷顆粒尺寸必須控制在所需分辨率的10%以內。

陶瓷3D打印工藝參數調控

不同工藝的參數調控體現了工程師們的智慧結晶。

光固化工藝嚴格遵循Beer-Lambert定律，描述了光與漿料相互作用的化學本質。

入射光使環氧樹脂或丙烯酸酯樹脂引發化學反應，導致它們聚合。

綜述詳解了固化深度的計算公式以及所有漿料基3D打印工藝可以調整的處理參數。

激光功率只與激光系統相關，光束的入射功率必須超過漿料的臨界能量值才能引發化學反應。

陶瓷漿料中的固體顆粒會導致入射光散射，限制光引發化學反應。此外，固體顆粒還表現為散熱器，限制了化學反應傳播所需的能量。

對于機器人澆注和直接墨水書寫工藝，沉積速率是一個關鍵參數。

在直接墨水書寫中，沉積速率的不受控制增加會導致液滴形成或噴嘴尖端損壞。

在機器人澆注中，流速（Q受到噴嘴最大剪切速率的限制，通常提供5-50 mm/s之間的沉積速率可以提供良好的形狀公差；

然而，必須考慮個別漿料和噴嘴特性。

陶瓷3D打印原料配方

漿料基增材制造的原料要求對每種工藝都是獨特的。

一些要求包括固含量（體積百分比）、粘結劑數量、分散劑數量、流變學和穩定性。

漿料流變學受原料制備的影響，固含量、顆粒尺寸、粘結劑數量、分散劑數量和研磨時間等因素至關重要。

固含量代表陶瓷顆粒在陶瓷漿料中占據的體積。較高的固含量產生燒結后致密的陶瓷對象；

然而，增加固含量會對其在塑性成型過程中的性能產生負面影響，這對漿料基增材制造工藝至關重要。

因此，先前研究中描述的臨界粉末體積濃度（CPVC）概念代表了添加陶瓷顆粒以產生在加工過程中保持穩定的漿料或糊料的體積限制。

粘結劑和分散劑分別添加到漿料配方中以增加和降低其粘度。

此外，它們可以被添加以引入處理技術所需的關鍵特征。

例如，SLA需要光固化聚合物來處理陶瓷層。

這些粘結劑和分散劑影響顆粒-顆粒相互作用，分別誘導吸引或排斥力并導致聚集或良好分散漿料的形成。

綜述文章分別講述了誘導這些響應的主導機制的三種類型：（1）靜電穩定，（2）空間位阻穩定，和（3）組合的電空間位阻穩定。

陶瓷3D打印能耗分析

漿料基工藝的能耗分為三個不同階段：（1）預處理階段，（2）加工階段，和（3）后處理階段。

預處理階段漿料制備需要將陶瓷粉末與合適的粘結劑和分散劑均勻混合。

這些過程中消耗能量取決于混合時間和數量，較大的數量需要消耗更多功率的高容量混合器。

陶瓷3D打印機運行期間的能耗高度依賴于所使用的陶瓷增材制造技術類型。

在數字光投影系統中，投影儀燈泡的瓦數決定其最大能耗。類似地，在激光系統中，能耗將取決于所使用激光的瓦數。

粉末基工藝如SLM和SLS的能耗主要來自激光源，不同之處在于這些工藝中使用的激光瓦數。

SLM使用CO?激光器或Nd:YAG激光器，功率范圍為200-1000 W，總功耗為1.7-50 kW。

SLS使用鐿光纖激光器、二極管激光器和CO?激光器，激光功率為10-100 W，總功耗為1.5-26 kW。

最大的能耗來自燒結階段。

燒結過程是一個熱驅動過程，通常在高于1200℃的溫度下進行。

峰值溫度和保溫時間都取決于所需的致密化程度和陶瓷材料的類型。實驗室級燒結爐的功耗通常在5-20 kW之間。

陶瓷3D打印質量控制的智能化

質量控制正經歷著從傳統檢測向智能化監控的深刻變革。

如圖9.5開發階段任務描述及其與生產的關系所示，質量控制是確保三維打印組件滿足設計要求和生產過程中一致性的重要步驟。

開發階段允許用戶識別關鍵參數、優化技術、工藝-效果相互關系和符合用戶要求的程度。

多孔性對陶瓷零件的機械性能有顯著影響，致密化過程無法消除大孔徑。

因此，質量控制過程必須確保它們在3D打印陶瓷后保持在指定限度內。超聲波無損技術用于檢測孔隙及其尺寸，篩選出有缺陷的產品。

然而，這種技術很慢并在燒結過程后應用。

隨著新技術的發展，安裝在機器構建室內的高速相機或掃描儀可以高精度地檢測和測量多孔性。

如圖9.6增材制造過程中原位質量控制的閉環反饋系統所示，原位技術使用計算機視覺結合人工神經網絡來修改過程中的處理參數，以生產滿足用戶要求的零件。

該系統通過傳感器反饋、數據收集、分析和過程參數調整形成完整的閉環控制。

這將有助于減少有缺陷的零件，特別是在生產數量大且停止生產比有缺陷產品的影響更昂貴的情況下。

陶瓷3D打印應用前景

陶瓷3D打印的應用領域正在快速擴展到前所未有的高度。

陶瓷的特點是高機械強度和硬度、良好的熱穩定性和化學穩定性。

這些特性使陶瓷成為各種應用的理想選擇，如化學工業、催化劑載體、電子、航空航天和生物醫學工程。

其中一些應用需要傳統陶瓷加工技術無法生產的高度復雜形狀、高尺寸精度和輕質陶瓷。

高多孔陶瓷具有低密度和良好機械性能的特點，可用于許多增值應用，如過濾膜、催化劑載體、輕質材料和組織工程支架。

陶瓷3D打印生物醫學支架必須精確設計以滿足活體宿主的要求，如生物活性、生物相容性、生物降解性、機械性能、結構和架構。要考慮對于細胞粘附、遷移、增殖、分化和細胞的殖民化的影響。

航空航天是增材制造最有前景的市場之一，由于需要具有特定特征的組件：復雜幾何形狀、定制生產、難加工材料和按需制造和高性能重量比。

綜述提到，目前增材制造對航空航天工業的主要限制是零件尺寸、可擴展性以及有限且昂貴的材料。

陶瓷3D打印選型的戰略思考

在眾多陶瓷3D打印技術中做出正確選擇并非易事。

每種陶瓷3D打印技術似乎都有獨特的優勢和限制，因此為陶瓷零件生產選擇技術可能是一個多方面的過程。

預處理復雜性、處理速度、構建尺寸和后處理步驟根據選擇的3D打印技術而有很大差異。

理解每個3D打印工藝的特點并將它們與陶瓷零件的設計和生產要求相關聯，對于技術選擇至關重要。

漿料基工藝適合需要高精度的小型復雜零件，粉末基工藝在處理大尺寸零件方面具有優勢，而固體材料工藝在成本控制和簡化生產流程方面表現突出。

每種技術都有其獨特的優勢和局限性，選擇合適的技術需要綜合考慮工程要求、成本、產品尺寸和可用基礎設施。

AM易道認為，未來的發展趨勢將是多技術融合和工藝鏈優化。

單一技術很難滿足所有應用需求，而多技術組合可以充分發揮各自優勢，實現更高的設計自由度和制造效率。

特別是在軍用航空航天領域，對材料性能的極致要求將推動這種技術融合的進程。

綜述的這張圖對于不同技術方案的理解和選擇做出了指導性總結，建議讀者保存收藏：

AM易道對于柔性陶瓷打印技術的猜想和推測

根據公開信息線索，我們可以合理推測Elsa Antunes團隊這次與洛馬合作的柔性陶瓷項目很可能采用了光固化立體成型（SLA）技術路徑。

這個推測基于幾個關鍵線索。

首先從公開信息可知，JCU購買了基于光固化的C100設備。

這種SLA技術采用自上而下的光固化立體成型，能夠在不需要支撐的情況下進行打印。

托盤向下移動，零件本身從底部向上構建：

這種技術特別適合制造Antunes團隊所描述的那種需要精確控制熱行為的復雜結構。

AM易道認為，Antunes團隊很可能在傳統的氧化鋁或氧化鋯陶瓷基礎上，通過特殊的聚合物材料配方和工藝參數優化，實現了柔性與強度的平衡。

SLA技術允許精確控制固化深度和固化輪廓，這為開發具有梯度性能的柔性陶瓷提供了技術基礎。

當然AM易道有可能是完全錯誤的，更無法確定具體的材料成分和工藝參數，但基于現有信息，SLA技術路徑的推測具有較高可能。

結語：從實驗室到天空的飛躍

回到JCU與洛克希德·馬丁的合作，新聞提到的柔性陶瓷材料的出現代表了陶瓷3D打印的新的里程碑。

傳統陶瓷雖然耐高溫，但脆性限制了其在動態載荷環境中的應用。

而JCU團隊宣稱的這種能夠承受萬次彎曲循環的材料，為超音速飛行器的設計開辟了全新可能。

正如Antunes博士所說：

"這些陶瓷能夠讓你超越馬赫5，進入超音速領域。我們能夠通過同時生產具有可彎曲、延長使用壽命并能承受航空航天所需極高溫度的復雜形狀陶瓷來結合技術。"

當飛行器突破音障進入超音速領域時，機體會承受巨大的熱應力和機械應力。

傳統材料要么無法承受高溫，要么在反復載荷下發生疲勞斷裂。

柔性陶瓷材料恰好填補了這一空白，它不僅能夠在極端溫度下工作，還能在機體變形時保持結構完整性。

Antunes博士進一步解釋：

"除此之外，我們能夠生產具有復雜結構和形狀的陶瓷，這些在傳統陶瓷基體制造中是不可能的。

通過增材制造，你可以制造在不同區域具有不同厚度的零件。

你可以創建多孔和復雜的結構，根據應用改善熱管理。"

這種材料的成功不僅體現在性能指標上，更重要的是它展示了3D打印技術在推動材料科學邊界方面的巨大潛力。

通過精確控制材料的微觀結構和宏觀形狀，增材制造技術使得以前不可能實現的材料性能組合成為現實。

AM易道將持續關注可彎曲陶瓷的后續進展。

私信"陶瓷綜述"獲取完整綜述。

文章來源

1. James Cook University官方發布

2. Lucia Gartner報道（2025年4月24日）

3. 《Advanced Flexible Ceramics》期刊研究綜述 - "Ceramic three-dimensional printing" by Tejas Koushik and Elsa Antunes

4. 洛克希德馬丁公司相關公開資料

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