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引言
氧化钇稳定氧化锆(YSZ)具有良好的生物相容性、高强度和高韧性，广泛应用于生物材料、陶瓷刀具和研磨球等领域。性能优良的陶瓷零件不乏采用氧化锆陶瓷材料，其中纳米和微米氧化锆陶瓷粉末被使用的最多。一般将纳米粉末与水或非水溶剂混合经过机械处理后制备成浆料，但是纳米粉末在溶剂中容易受到Brownian运动和vanderWaals力作用，形成大颗粒团聚体。研究人员采用空间位阻、静电排斥和电空排斥种方法克服vanderWaals力，以得到具有分散性良好的陶瓷浆料。
为了得到具有良好分散性的陶瓷浆料，研究人员往往在制备浆料过程中加入高分子聚合物等分散剂以提高陶瓷颗粒在浆料中的分散性和流变性。
目前陶瓷浆料制备完成后，装入料桶在机械力的作用下挤出或直接装入模具中成形。增材制造的发展使陶瓷浆料的应用不仅仅限于注模成型，如喷墨打印、凝胶注射成型、固体自由成型、粉末注射成型和按需挤出等。
陶瓷浆料的良好分散性是制备微流挤压氧化锆陶瓷浆料的关键。球磨是陶瓷浆料机械处理过程中使用较多的一种，通过磨球与陶瓷颗粒发生机械碰撞打破团聚体降低颗粒粒径。利用优化参数制备出具有最佳分散效果的陶瓷浆料，通过微流挤出成形工艺打印坯体，验证了这些优化工艺是适用于此工艺。
实验
1、原材料
使用齿科级氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉末平均粒径为50nm，比表面积为50～80㎡/g。使用50%(质量分数)的聚丙烯酸钠(PAAS)水溶液作为分散剂，分子量为。
2、球磨
以氧化锆粉末、聚丙烯酸钠和去离子水为原料，制备固相含量为10%(质量分数)的氧化锆悬浮液。制备结束后，所有悬浮液采用TJQW系列行星球磨机球磨机在00r/min下分别球磨2、4、8、12、24和2h，r/min、r/min和r/min也进行同样地操作。
、分散剂的影响
制备固相含量10%的氧化锆悬浮液，加入聚丙烯酸钠。全程采用pH计进行检测pH值。制备固相含量为60%(质量分数)氧化锆陶瓷浆料，加入聚丙烯酸钠为4%~9%(质量分数)。在最佳球磨参数下处理后，静置2h后转移至测量容器内，以~60s–1的剪切速率测量浆料黏度。
结果与讨论
1、球磨参数的优化
下图为不同转速和球磨时间下氧化锆颗粒的zeta电位和粒径。从图可以看出，在00r/min和r/min下延长球磨时间提高了颗粒表面zeta电位，降低氧化锆粒径；然而，在r/min下延长球磨时间却不能持续降低悬浮液中颗粒粒径，但提高了zeta电位。球磨过程中，氧化锆颗粒与磨球发生机械碰撞，打破团聚和降低粒径。
不同球磨时间和速率下zeta电位和平均粒2、分散剂对氧化锆分散的影响
下图为添加和不添加分散剂下pH值对氧化锆悬浮液zeta电位和粒径影响。从图a可以观察到，不添加聚丙烯酸钠的悬浮液中氧化锆的等电点(IEP)是8.0。等电点处氧化锆颗粒表面上吸附的H+和OH–数量相等，导致zeta电位为零。在IEP附近粒径达到nm，表明存在大量团聚颗粒，如图b所示。
pH对YSZ粉体zeta电位和粒径的影响、浆料挤出添加分散剂含量为4%~7%，采用最佳球磨参数处理后制备成固相含量为75%氧化锆水基浆料。随后使用微流挤出成形设备在设定的挤出参数下打印氧化锆坯体，下图为采用该设备和浆料打印的氧化锆坯体。加入分散剂是提高了氧化锆颗粒的分散性，降低浆料黏度，提高流变性，使得陶瓷浆料在挤出过程中流畅。具有良好分散性的陶瓷浆料在挤出过程中挤出丝呈现平滑状。通过微流挤出成型设备，浆料连续挤出成丝并以层层堆积的方式形成坯体。
不同分散剂含量下微流挤压成型打印坯体4、打印坯体烧结后表面形貌和粗糙度
下图为打印坯体烧结后局部表面形貌。由图a可见，6%添加量下打印坯体经过烧结后其表面几乎没有缺陷，挤出丝烧结后展现平滑。相邻挤出丝之间的距离为0.6mm，明显小于挤出头直径，氧化锆陶瓷坯体经过烧结后体积发生了收缩。一般而言体积收缩率超过50%，因而此挤出丝之间的距离经烧结后尺寸合理。图b为添加量为5%时打印坯体，坯体烧结后展现出一些缺陷，如过堆积，不连续等。这些缺陷在坯体中也观察到，也正是这些缺陷降低了打印精度和质量。
坯体烧结后表面形貌和粗糙度5、打印坯体烧结后的性能
下图为打印坯体烧结后断面微观结构。由图a(5%)可见，在高倍数扫描电子显微镜下发现，打印坯体烧结后内部结构均匀，内部存在一些微孔。
坯体烧结后断口形貌下表为打印坯体烧结后的力学性能。5%的硬度为1.4GPa低于6%的硬度1.6GPa；但5%的断裂韧性(4.1MPa·m5)高于6%(4.0MPa·m5)的。对比图a~图b发现，5%的穿晶断裂多于6%的，穿晶断裂的增加增加了断裂韧性但降低了硬度。
坯体烧结后以及其他工艺的力学性能由表可见，认为坯体在后期处理过程中产生孔隙，这些孔隙降低了硬度和密度。
结论
1)在不同的球磨转速和时间下对氧化锆悬浮液进行球磨处理，结束后测量悬浮液中氧化锆颗粒粒径以及颗粒表面zeta电位。发现，在r/min转速下球磨12h后，颗粒表面zeta电位绝对值是44mV，氧化锆粒径到最小值nm。较高的zeta电位提供足够高的静电排斥，氧化锆颗粒得以悬浮；粒径较小为分散剂提供更多位点。
2)加入聚丙烯酸钠可以有效改善氧化锆颗粒表面的理化特性，pH值为8.5时zeta电位最高并且粒径最小。此pH下加入5%~6%聚丙烯酸钠，60%氧化锆水基浆料黏度较低。在优化球磨下配置氧化锆水基浆料并通过微流挤出成形，发现在5%~6%下氧化锆坯体成型效果最佳。在扫描电镜下观察发现，在此含量下坯体具有较少缺陷和较高致密性。
)5%坯体有堆积，这是打印参数不适合所致；6%下坯体表面光滑，没有观察到缺陷。坯体烧结后发现坯体发生收缩，烧结后坯体表面挤出丝光滑，挤出丝之间距离缩短；5%和6%坯体烧结后表面粗糙分别为28和25μm。与其他坯体相比较，此方法下配置氧化锆浆料适用于微流挤出成型。坯体烧结后的力学性能如下：6%添加量下制备坯体烧结后密度为5.96g/cm，Vickers硬度为1.6GPa，断裂韧性为4.0MPa·m5；5%密度5.91g/cm、1.4GPa和4.1MPa·m5。
