3D打印法如何制备多孔陶瓷材料

多孔陶瓷是一种含有较多气孔的无机非金属材料，主要利用材料中的孔洞结构与材质本身结合而具有的性质来达到所需的功能。作为一种新型绿色环保的陶瓷材料，具有孔隙率高、渗透率高、比表面积大、体积密度小和热导率低等优异特性。

多孔陶瓷从19世纪70年代开始发展，初期被用作铀提纯和细菌过滤材料使用。经过长时间的试验发展，现如今其自身可调节的孔径分布，配合上基体材料的光、电、热、磁等物理力学性能可以在多个领域发挥作用，例如作为过滤材料、催化剂载体、吸声材料、保温隔热材料、生物材料、红外燃烧器等。

拓展文章链接：

《隔音降噪领域的新型材料——多孔吸声陶瓷》

《多孔氮化硅陶瓷材料的制备方法》

多孔陶瓷的制备工艺主要有添加造孔剂法、挤出成型法、溶胶-凝胶法、冷冻干燥法、发泡法、颗粒堆积法、3D打印法、熔盐法、有机泡沫浸渍法等。区别于许多工艺制作更为成熟的传统制备，3D打印法（Three-dimensional printing, 3DP）是近几年发展起来的一种多孔陶瓷制备新方法。

3D打印利用计算机辅助设计（Computer aided design, CAD）的三维数据模型，通过打印头喷射粘结剂将粉体层层堆积成最终产物。3D打印技术与反应烧结工艺的结合实现了复杂形状陶瓷的无模制造与近净尺寸成型。

实现陶瓷材料3D打印技术需要依靠两个系统：

一是计算机软件系统，即用来进行结构和图形的设计，并将其转换成通用的代码语言；

二是接收指令的运作系统，即用来输出打印最终的成品。

基本过程大致为：

①建立三维CAD模型（computer aided design，计算机辅助设计）。

②基于离散一叠加原理将其切片获取许多分离的平面。

③传递至成型系统。

④利用CAM（computer aided manufacturing，计算机辅助制造）逐层打印出完整的零部件原型体。

3D打印法制备多孔陶瓷具有无污染、效率高及无需模具等特点，不仅可以用来制备微观结构均匀、孔连通性好及形状复杂的多孔陶瓷，而且还可以控制所制备多孔陶瓷的孔径大小、孔形状及孔隙率。3D打印技术的出现，有效地克服了传统多孔陶瓷制备方法中存在的缺点。

例如在生物材料应用上：近年来，因羟基磷灰石、磷酸钙、磷酸三钙等多孔陶瓷优异的生物相容性，其在骨支架、整形外科、牙科等方面的应用也得到了一定的研究推广。骨支架的孔隙率、孔形状、孔尺寸和孔的连通性是控制生物组织生长和植入体/骨界面结合强度的重要参数，3D打印法为骨支架的制备提供了一种新颖简便的方法，采用该工艺不仅可以在无模情况下制备出形状复杂的支架，而且还可以通过CAD图像数据控制产品的孔尺寸、形状及连通性。

但是，该方法目前仍处于探索研究阶段，工艺参数还需要进一步地完善。同时，目前的工艺尚无法通过3D打印直接制备出所需的多孔陶瓷成品，仍需结合反应烧结等工艺才能获得最终的实体材料。因此，该方法今后的发展方向应该是：研究开发采用3D打印法一步制备目标多孔陶瓷的新工艺，使多孔陶瓷的制备技术实现质的飞跃。