在陶瓷增材制造领域，“颗粒级配” 是决定光固化陶瓷 3D 打印（SLA 陶瓷）浆料性能与零件质量的隐性核心 —— 单一粒径的陶瓷粉末往往面临 “固含量低（＜60vol%）、烧结收缩大（＞20%）、致密度不足（＜90%）” 的痛点，而通过不同粒径颗粒的科学搭配，可实现 “高固含量、低粘度、低收缩” 的协同效果。本文结合 12 年陶瓷科研与 300 多所高校实验室建设经验，详解颗粒级配的优化原理、3D 打印适配策略及实践价值，助力解决 “浆料流动性” 与 “零件性能” 的平衡难题。
1. 颗粒级配优化的核心原理：从 “单一填充” 到 “协同致密”
颗粒级配的本质是通过 “粗颗粒骨架 + 细颗粒填充” 的结构，最大化陶瓷粉末的堆积密度，其核心遵循 “Dinger-Funk 级配模型”（工业界常用的颗粒堆积计算方法），关键逻辑有三点：
• 粗颗粒（通常为 D50=5-10μm）作为骨架，占据浆料中的主要空间，决定堆积密度的上限；
• 中颗粒（D50=2-5μm）填充粗颗粒间的大孔隙，进一步提升堆积效率；
• 细颗粒（D50=0.5-2μm）填补中小孔隙，最终实现 “紧密堆积”—— 在我们的实践中，优化后的级配可将粉末堆积密度从单一粒径的 55% 提升至 75% 以上，为高固含量浆料奠定基础。
需注意：颗粒级配并非 “粒径越全越好”，过度添加细颗粒（占比＞30%）易导致团聚，反而增加浆料粘度，因此需控制各粒径区间的比例平衡。
图1： 陶瓷颗粒不同级配方式的填充效果
2. 3D 打印场景下颗粒级配的核心目标：适配工艺与性能
光固化陶瓷 3D 打印对颗粒级配的要求，需同时满足 “浆料流动性”“成型精度”“烧结性能” 三大需求，具体目标可拆解为三点：
• 适配 SLA 浆料粘度：级配后的浆料需在高固含量（≥65vol%）下，将粘度控制在 800-2000mPa・s（剪切速率 100s⁻¹ 时），确保刮刀铺层无堆积、无气泡 —— 在服务清华大学某实验室时，我们通过级配优化，将氧化锆浆料固含量从 62vol% 提升至 70vol%，粘度仍稳定在 1500mPa・s；
• 降低烧结收缩：紧密堆积可减少浆料中的树脂占比，从而降低烧结收缩率 —— 传统单一粒径浆料收缩率常超 20%，而优化级配后可控制在 12-15%，成型精度提升至 ±50μm（适配精密零件打印）；
• 提升致密度与强度：减少烧结过程中的孔隙生成，致密度可从 90% 提升至 96% 以上（以氧化铝陶瓷为例），弯曲强度同步提升 25%-30%（从 300MPa 提升至 375MPa）。
3. 陶瓷 3D 打印颗粒级配的具体优化策略与实践
针对不同陶瓷材料（如氧化锆、氧化铝、氮化硅）的特性，需制定差异化的级配方案，核心策略可分为 “粒径区间选择”“比例计算”“分散工艺配合” 三步：
（1）粒径区间选择：匹配陶瓷材料特性
不同陶瓷材料的烧结活性与打印需求不同，级配的粒径区间需针对性调整：
• 氧化锆陶瓷（常用于医疗、精密构件）：烧结活性高，粗颗粒选 D50=4-6μm，中颗粒 D50=1.5-3μm，细颗粒 D50=0.8-1.2μm—— 细颗粒占比 20-25% 即可，避免过度团聚；
• 氧化铝陶瓷（常用于结构件、散热件）：烧结活性中等，粗颗粒选 D50=6-8μm，中颗粒 D50=2-4μm，细颗粒 D50=1-1.5μm—— 细颗粒占比可提升至 25-30%，增强烧结致密性；
• 氮化硅陶瓷（常用于高温构件）：烧结活性低，需更多细颗粒提升活性，粗颗粒选 D50=3-5μm，中颗粒 D50=1-2μm，细颗粒 D50=0.5-0.8μm—— 细颗粒占比 30-35%，同时搭配烧结助剂（如 Y₂O₃-Al₂O₃）。
（2）级配比例计算：基于 Dinger-Funk 模型优化
采用 Dinger-Funk 模型（公式：F(d) = \left(\frac{d}{D}\right)^n，其中 F (d) 为粒径≤d 的颗粒累积占比，D 为最大颗粒粒径，n 为分布指数），通过调整 n 值（通常取 0.25-0.4）优化比例：
• 当 n=0.3 时，粗颗粒（＞5μm）占比 60-65%，中颗粒（2-5μm）占比 20-25%，细颗粒（＜2μm）占比 10-15%—— 此比例适用于多数氧化锆光固化浆料，在我们的测试中，可实现 72vol% 固含量与 1600mPa・s 粘度的平衡；
• 若需更高致密度（如氧化铝散热件），可将 n 值降至 0.25，细颗粒占比提升至 20-25%，粗颗粒占比降至 55-60%，堆积密度可进一步提升至 78%。
（3）分散工艺配合：避免级配团聚
级配后的颗粒易因粒径差异产生分层或团聚，需通过工艺控制解决：
• 混合顺序：先加入粗颗粒与分散剂（如聚羧酸铵），球磨 12h 后再加入中颗粒，继续球磨 12h，最后加入细颗粒球磨 6h—— 分步混合可减少细颗粒附着在粗颗粒表面导致的团聚；
• 球磨参数：采用玛瑙球（避免金属杂质），球料比 4:1，转速 250rpm，总球磨时间 30h—— 在服务浙江大学某陶瓷科研项目时，该工艺可使级配浆料的团聚体粒径（D90）控制在 15μm 以下，确保 SLA 打印无堵塞。
图2:不同陶瓷材料颗粒级配比例与性能关联图
4. 颗粒级配优化的实践价值：解决行业核心痛点
颗粒级配优化虽不直接改变陶瓷材料的本质性能，却能通过 “工艺适配性提升” 解决陶瓷增材制造的三大行业痛点：
• 降低研发成本：级配优化后的浆料减少了烧结补料与零件报废率，在某医疗氧化锆种植体项目中，我们通过级配调整，将打印合格率从 75% 提升至 92%，研发成本降低 35%；
• 缩短周期：高固含量浆料减少了烧结时间（从传统的 8h 缩短至 5h），同时降低了后续加工需求，整体研发周期缩短 20-25%；
• 拓展应用场景：针对异形复杂结构（如多孔支架、微通道），级配优化后的浆料可实现 “高固含量 + 低粘度”，避免打印时的流挂或层间开裂 —— 例如 3D 打印氧化锆多孔支架时，级配方案使支架孔隙率稳定在 40-50%，同时保证抗压强度＞100MPa，满足骨植入需求。
总结与未来展望
陶瓷 3D 打印的颗粒级配优化，是 “材料特性” 与 “工艺需求” 之间的桥梁 —— 其核心价值并非追求 “极致的粒径分布”，而是通过科学搭配实现 “浆料流动性、成型精度、烧结性能” 的协同最优。当前，该技术已在氧化锆、氧化铝等常用陶瓷中实现成熟应用，但在纳米级陶瓷（如纳米氮化硼）、复合陶瓷（如陶瓷 - 金属复合）的级配优化中仍面临挑战（如纳米颗粒易团聚、复合颗粒密度差异导致分层）。
未来，颗粒级配优化将向 “智能化” 方向发展：结合 AI 算法（如机器学习预测级配比例与性能的关联）、在线粒径监测技术（如激光粒度仪实时调整混合比例），实现 “按需定制” 的级配方案。在陶瓷科研与工程实践中，只有持续深化 “颗粒级配 - 浆料性能 - 零件质量” 的关联研究，才能进一步释放陶瓷增材制造的技术潜力，推动更多高端陶瓷构件从实验室走向工业化应用。
关于作者：本文由专注于先进陶瓷增材制造解决方案的 [昆山市奇迹三维科技有限公司] 技术团队提供。我们致力于为科研与工业领域提供高性能陶瓷 3D 打印设备、材料及打印服务。
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