祝贺团队在中科院二区期刊《Journal of the European Ceramic Society》发表学术论文

发布日期：2026-05-06

Effects of polysiloxane and sintering atmosphere on phase evolution and mechanical behavior of ceramic cores fabricated by vat photopolymerization

Xingyao Sun, Jinkai Xu*, Wentong Zhang, Shuyu Zhou, Xiaodong Liu, Shan Li, Bingshan Liu, Gong Wang, Wenyan Duan*

Received 4 January 2026; Received in revised form 3 April 2026; Accepted 12 April 2026

DOI：10.1016/j.jeurceramsoc.2026.118414

孙兴尧，许金凯*，张文通，周枢宇，刘晓东，李珊，刘兵山，王功，段文艳*

长春理工大学

中国科学院空间应用工程与技术中心

Sun X, Xu J, Zhang W, et al. Effects of polysiloxane and sintering atmosphere on phase evolution and mechanical behavior of ceramic cores fabricated by vat photopolymerization[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2026: 118414.

虽然光固化增材制造为陶瓷型芯制备提供了一种新途径，但所得型芯仍存在烧结收缩率高、力学强度不足等问题，因此亟需发展能够同时控制收缩并提升力学性能的调控策略。本研究将聚硅氧烷前驱体引入陶瓷浆料，并比较了其在空气和氮气气氛烧结过程中的强化机制。在空气中，聚硅氧烷裂解生成SiOC，随后进一步氧化为SiO2，促进样品致密化和方石英结晶；然而，当方石英过度结晶时，强度提升受到限制。在氮气中，SiOC保持非晶结构，可有效抑制方石英过度结晶，并减轻相变诱导产生微裂纹，从而显著提高型芯强度。本研究阐明了聚硅氧烷在不同烧结气氛下的作用机制，并为提升陶瓷型芯力学性能提供了一种可行途径。

光固化陶瓷增材技术，陶瓷型芯，聚硅氧烷，烧结气氛，力学性能

1.系统比较了不同烧结气氛下聚硅氧烷对陶瓷型芯相演化、显微组织和性能的影响。

2.提出了一种结合聚硅氧烷前驱体与烧结气氛调控的新策略，有效提升陶瓷型芯性能。

3.氮气气氛下形成的非晶SiOC可抑制方石英生长，并提高陶瓷型芯的力学性能。

图1 光固化陶瓷增材技术工艺流程

随着涡轮叶片内部冷却结构向多通道和复杂化方向发展，陶瓷型芯需要同时满足高成形精度、低烧结收缩、高气孔率和高力学强度等要求。然而，光固化陶瓷型芯在烧结过程中仍面临收缩较大、强度不足以及收缩与力学性能难以协同调控的问题，限制了其在复杂空心叶片铸造中的应用。

本研究探究了聚硅氧烷在不同烧结气氛下的裂解行为及其对陶瓷型芯性能的影响。通过将聚硅氧烷引入陶瓷浆料，并分别在空气和氮气气氛下烧结，系统分析其裂解产物对陶瓷型芯相变行为以及原位纳米颗粒微观结构演变的影响。进一步阐明了不同烧结气氛下聚硅氧烷衍生相对陶瓷型芯的强化机制，并从多个角度考察了聚硅氧烷在提升陶瓷型芯力学性能中的作用。这些结果为陶瓷型芯的性能优化提供了新的认识。

1. 聚硅氧烷在氮气中裂解形成高陶瓷产率的非晶SiOC，并在脱脂过程中原位生成纳米颗粒填充颗粒间孔隙，提高脱脂体固相含量、降低收缩；空气气氛烧结时，SiOC在空气中氧化并结晶为方石英，而在氮气烧结时保持非晶结构。

图2 聚硅氧烷的裂解产物分析

2. 空气烧结气氛下，聚硅氧烷促进烧结致密化，使烧结收缩增大，力学性能提升有限。而在氮气烧结气氛下，聚硅氧烷能够抑制致密化过程，在减小烧结收缩的同时大幅提升陶瓷型芯的力学性能。

图3 不同烧结气氛下陶瓷型芯的性能变化

3. 分析了不同烧结气氛下聚硅氧烷裂解产物对陶瓷型芯的强化机制,空气气氛下，生成的SiO2变为玻璃相，提高颗粒间结合强度，促进了方石英析出，伴随微裂纹产生；氮气气氛下，生成的SiOC以颗粒状态附着在大颗粒表面，抑制了方石英析出，从而了微裂纹产生，大幅提高力学性能。

图4 不同烧结气氛下陶瓷型芯的相转变行为

  4.样品烧结后仍能保持微孔、薄壁通道及复杂曲面等精细结构，微孔轮廓清晰，表面粗糙度较低，点云扫描结果表明其整体尺寸偏差较小，说明该工艺具有良好的成形精度和结构保持能力。同时，本研究制备的陶瓷型芯在较低线收缩率下仍获得了较高的抗弯强度，表明该方法能够在尺寸精度、溶失性和力学性能之间实现较好的平衡。

图5 陶瓷型芯的成形质量与综合性能对比

本研究提出将聚硅氧烷前驱体引入陶瓷浆料，以改善陶瓷型芯的性能。在烧结阶段，空气气氛下，聚硅氧烷裂解生成的SiOC逐渐氧化为 SiO2，并由颗粒态转变为玻璃相，促进粗颗粒间的致密化与结合，同时推动方石英结晶。然而，过度结晶诱发的微裂纹限制了力学性能的进一步提升。相比之下，氮气气氛下 SiOC保持非晶态，并以纳米颗粒形式分散于粗颗粒表面，可抑制方石英过度结晶，从而显著改善力学性能。当聚硅氧烷含量为20 wt.%、烧结温度为1250 °C 时，氮气气氛烧结样品的室温和高温抗弯强度分别达到32 MPa和55.4 MPa，较空气气氛烧结样品分别提高72%和49%，同时表现出更低的收缩率和更高的显气孔率。综上，本研究为制备高性能陶瓷型芯提供了一种有效策略。