加泰羅尼亞理工大學在《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率、熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性，因此被廣泛應用于固體氧化物燃料電池、傳感器和催化載體。然而，傳統(tǒng)制造技術耗時、成本高且設計復雜，限制了氧化鋯的進一步應用。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對其機械性能的影響。結果顯示，收縮、密度和微觀結構無顯著差異。通過彎曲測試及數(shù)字圖像相關分析，探討了打印方向和絲材取向對樣品內(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電銀傳感器，并分析了其在彎曲載荷下的傳感響應。

研究結果

圖5：（a）燒結氧化鋯樣品的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。

微觀結構分析

研究通過FESEM對燒結后的氧化鋯樣品進行了微觀結構分析，特別關注了±45°絲狀取向的樣品。結果顯示，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。這種均勻的微觀結構是材料具有良好機械性能的基礎。

圖6：不同打印設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對氧化鋯樣品抗彎強度的影響。結果表明，水平打印方向和±45°細絲方向的樣品表現(xiàn)出最高的抗彎強度（約50 MPa），這可能歸因于該取向對裂紋擴展的有效阻礙作用。

圖7：（a）實驗示意圖；（b）不同打印設計在0.25%應變下的應變分布。

應變分布分析

結合DIC技術分析了不同打印設計在受力下的應變分布情況。結果顯示，±45°取向的樣品在受力時應變分布更為均勻，而0/90°取向的樣品則表現(xiàn)出更集中的應變區(qū)域，這可能與裂紋的起始和擴展路徑有關。

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對斷裂行為的影響。結果顯示，斷裂路徑與打印方向和絲材取向密切相關，特別是在層間結合處。

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。臨界負載（Lc）約為25 N，表明銀涂層與基底之間具有良好的結合強度。FESEM觀察顯示，在臨界負載下，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響應特性。結果顯示，傳感器的相對電阻變化率與施加的負載呈現(xiàn)良好的線性關系，表明其在結構健康監(jiān)測領域具有潛在應用價值。

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°細絲取向，（b）±45°細絲取向。

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，分析了不同細絲取向對傳感器斷裂行為的影響。結果顯示，±45°細絲取向的樣品在斷裂過程中表現(xiàn)出更復雜的裂紋路徑，可能與該取向的應力分布有關。

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，特別關注了層間結合和內(nèi)部缺陷對斷裂行為的影響。結果表明，層間結合強度和內(nèi)部孔隙率是影響材料斷裂韌性的關鍵因素。