在工业制造与生物医学领域，陶瓷材料因卓越的硬度、耐磨性和化学稳定性成为摩擦学应用的关键选择。然而，传统成型工艺在复杂结构与高精度集成方面的局限性，长期制约着陶瓷部件的应用边界。增材制造技术的崛起，正通过3D打印的设计自由度与精度优势，推动陶瓷耐摩擦部件向更广阔的市场领域渗透。
近日，哈尔滨工业大学研究团队发表了‘Additive Manufacturing of Advanced Structural Ceramics for Tribological Applications: Principles, Techniques, Microstructure and Properties’ 综述文章。
文章对增材制造领域的原理和技术，以及相应陶瓷的生产方法和加工要素进行了论述。然后，根据其成分对用于增材制造的陶瓷材料进行分类，总结了每种陶瓷体系在摩擦学方面的适用性和应用领域。讨论了传统致密陶瓷、表面纹理、润滑和表面涂层对不同摩擦学和力学性能的影响。研究团队还介绍了陶瓷增材制造技术在工业与生物医学领域的典型摩擦学应用。接下来，3D科学谷将着重针对文中对于增材制造陶瓷材料的摩擦学应用进行分享。
论文链接：
https://doi.org/10.3390/lubricants13030112
工业应用：从切削刀具到传动系统
在工业切削场景中，刀具材料需同时满足高温耐磨性与结构复杂性需求。目前，它们主要是通过烧结含有碳化钨、碳化钛、碳氮化钛或其他类型硬相的陶瓷或金属陶瓷粉末制成的。基于粉末床选区激光熔融(L-PBF)增材制造的金属陶瓷在高温下磨损率低，并且越来越多地用于实现这一目标。通过该技术制造B4C/Co 金属陶瓷刀具的应用已得到了验证。
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立体光刻技术（如DLP、SLA）则进一步解锁了微观结构设计潜力——例如，采用DLP增材制造-3D打印技术制造的三角形氧化锆刀具，刀具具有断屑槽与蜂窝结构，断屑槽有效提升排屑效率并降低切削温度，如图a。
传动系统中的齿轮磨损问题同样受益于增材制造-3D打印技术。齿轮之间的啮合程度影响齿轮之间的磨损程度，而增材制造的陶瓷齿轮具有更高的精度，并避免了啮合问题引起的磨损。图b、c、d 引用了3D打印高精度和高强度陶瓷齿轮的相关研究，包括Al₂O₃及其复合材料。
生物医学：从骨植入体到牙科修复
人体运动系统对植入材料的摩擦学性能提出严苛要求。陶瓷材料（如氧化锆、氧化铝和羟基磷灰石比金属材料具有更好的生物相容性和耐磨性。理想生物陶瓷医用植入体的制造不仅与材料的成分有关，还受到其宏观结构和微观结构的影响。因此，迫切需要开发复杂的几何结构成型技术。目前，增材制造为此提供了新的路径。
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增材制造为陶瓷生物医用部件提供了定制化解决方案。羟基磷灰石（HAP）支架通过SLA3D打印技术成型后，可实现与宿主骨的化学键合与机械互锁，其生物安全性已在兔骨植入实验中得到验证。而磷酸钙/聚合物复合支架（如CHAP/PLLA）则通过SLS 3D打印技术实现了微观结构优化，耐磨性较纯聚合物支架显著提升。
羟基磷灰石具有足够的骨传导性能和良好的生物亲和力，足以与骨骼形成牢固的化学键和机械互锁。综述中引用了几种典型的研究。图（a）为研究人员将羟基磷灰石粉末混合到感光树脂中，并通过SLA 3D打印技术形成复杂形状的支架。他们最终制备了具有良好生物安全性的HAP样品，可以植入兔顶骨中；图（b）为研究人员利用SLS 3D打印技术制备的仿生骨支架，材料为磷酸钙（Ca-P）/聚（羟基丁酸-羟基戊酸共聚酯）（PHBV）和碳酸羟基磷灰石（CHAP）/聚（L-乳酸）（PLLA）纳米复合微球，其在机械性能和耐磨性方面均优于纯聚合物支架。
在牙科修复领域，氧化锆陶瓷和氧化锆基复合陶瓷因其优异的化学稳定性、力学性能、耐磨性和耐腐蚀性而在临床上广泛用作牙齿修复材料，该材料的3D打印应用研究也尤为突出。例如，有研究人员通过DLP 3D打印制备高密度氧化锆陶瓷冠，其维氏硬度达12.62 GPa，耐磨性达1.5 mg/min。
总结
综述剖析了增材制造陶瓷材料在耐摩擦工业零部件和生物医学植入物中的应用与发展。为了进一步提高材料的摩擦学性能，文章还提出了陶瓷增材制造技术需解决的挑战，例如：
增材制造技术在陶瓷领域尚未成熟，制造工艺有待进一步改进，例如：在挤出式3D打印中改善陶瓷粉末与粘结复合材料的高温流变性能；在光固化3D打印中优化陶瓷粉末对浆料吸光度的影响；在粉末熔融3D打印中解决表面不规则问题；以及在粉末粘结3D打印中调控打印墨水的流变性能。不同增材制造技术与多材料体系的结合，可集成各自优势用于各类结构/功能一体化应用。通过融合多种机制与技术，设计新型表面织构、表面润滑及表面涂层，可最大化提升陶瓷的摩擦磨损性能，这代表了新的研究方向。
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https://doi.org/10.3390/lubricants13030112
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