中国粉体网讯  陶瓷型芯是熔模铸造工艺中使用的一种陶瓷材料，其性能直接决定着铸件的品质。陶瓷型芯具有耐磨性好、密封性优越、强度高、使用寿命长等特点，已在航空航天、汽车制造、电子电气等领域获得广泛应用。

在航天航空领域，陶瓷型芯是涡轮叶片的熔模铸造过程中的必备关键耗材，其中，硅基陶瓷型芯因其良好的综合性能成为首选。然而，随着叶片设计越来越复杂，传统制造方法（如热压注）在成型精度和周期上已显疲态。DLP 3D打印技术以其高精度和快速成型能力，成为了制备复杂陶瓷型芯的理想工具。

3D打印陶瓷型芯，来源：Lithoz

但该方法仍存在一些挑战：3D打印的硅基陶瓷型芯在后续的高温定向凝固铸造过程中，极易发生严重的铸造收缩和高温蠕变变形，导致叶片内腔尺寸失准，甚至直接报废。

为解决这个问题，《Materials》期刊上的一个研究给出了巧妙的解决方案：加入微量纳米氧化铝。

该论文的研究者选择高活性的纳米级氧化铝（Al₂O₃）粉末作为改性剂，将其加入到3D打印用的硅基陶瓷浆料中。添加量非常小，仅为总质量的0%到1.0%。

烧结陶瓷芯表面的扫描电镜图像，其中氧化铝纳米粉末添加比例分别为：(a) 0.0 wt.%；(b) 0.2 wt.%；(c) 0.4 wt.%；(d) 0.6 wt.%；(e) 0.8 wt.%；(f) 1.0 wt.%。

实验结果显示：

1）收缩率几乎减半。与未添加纳米氧化铝的样品相比，添加0.6%纳米氧化铝的样品，烧结收缩率骤降至1.86%，模拟铸造后收缩率仅为4.41%。

2）抗弯强度增加。随着纳米氧化铝含量从0增加到0.6%，室温抗弯强度略有提升或保持稳定。而过量加入纳米氧化铝会破坏陶瓷层间的结合，导致颗粒剥落和层间开裂，强度会下降。

3）抗变形能力显著增强。高温蠕变变形是衡量型芯在铸造过程中能否保持尺寸精度的关键指标。实验表明，添加纳米氧化铝后，型芯在高温下的蠕变变形量显著降低。

为什么纳米氧化铝能起到如此神奇的效果？

硅基陶瓷型芯的主要成分是熔融石英，硅基陶瓷型芯的最大特点在于：在1100～1250℃的温度范围内，部分石英玻璃会发生相变，析出方石英晶体。由于晶体比玻璃体的蠕变小几个数量级，所以当陶瓷型芯中含有一定量的方石英时，型芯的高温抗变形能力较好。然而，析晶过程的体积效应导致的内应力会使陶瓷型芯中出现网状裂纹，从而降低陶瓷型芯的强度。因此，方石英的析出规律及其对陶瓷型芯性能的影响是氧化硅基陶瓷型芯的研究热点，合理控制型芯在烧结过程以及使用过程中方石英的含量是氧化硅基陶瓷型芯制备技术的关键和难点。因此，方石英的析出规律及其对陶瓷型芯性能的影响是氧化硅基陶瓷型芯的研究热点，合理控制型芯在烧结过程以及使用过程中方石英的含量是氧化硅基陶瓷型芯制备技术的关键和难点。

传统的解决方法是：提高烧结温度或优化颗粒级配，虽然能提高型芯的抗变形能力，但往往以牺牲孔隙率为代价，而孔隙率对于铸造后的脱芯（用化学方法溶解掉型芯）至关重要。

纳米氧化铝因其强度高、硬度高、耐磨性好、耐热性好、比表面积大等特性被广泛应用于陶瓷材料、复合材料、航空航天、环境保护、催化剂及其载体等领域。

加入纳米氧化铝可以均匀分布在熔融石英之间，增加了颗粒间的摩擦和烧结势垒，阻碍了颗粒的迁移和重排，从而抑制了致密化过程，保留了更多孔隙。同时，纳米氧化铝与熔融石英界面处的反应，改变了玻璃相的网络结构，提高了玻璃相的粘度和析晶活化能，从而有效抑制了方石英的生成。这使得型芯在冷却时体积变化更小，开裂风险更低。

此外，部分纳米氧化铝颗粒在高温下转化为莫来石晶须或颗粒，这些高熔点的晶体在玻璃相中形成了一种微米级的“骨架”，增强了型芯抵抗高温变形的能力。

在这份论文研究中，给出一个很明确的结论：添加0.6 wt.%的纳米氧化铝粉末，是通过DLP 3D打印技术制备高性能硅基陶瓷型芯的最优方案。它能在大幅降低收缩率和高温蠕变变形的同时，通过简单的PVA后处理弥补强度下降，最终获得尺寸精度高、脱芯性能好、满足铸造要求的型芯。

来源：

Li X, Chen X, Si Y, et al. Microstructure Evolution and High-Temperature Dimensional Stability of Silica-Based Ceramic Cores via Modification of Alumina Nanopowder in Digital Light Processing 3D Printing[J]. Materials, 2026, 19(7): 1339. DOI: 10.3390/ma19071339.

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（中国粉体网编辑整理/空青）

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