近日，来自西安交通大学、澳大利亚昆士兰大学、中国科学院上海光学精密机械研究所和中山大学的研究团队，在陶瓷领域国际期刊 Journal of the European Ceramic Society 发表了题为“Grain refinement in ceramic additive manufacturing: Mechanisms, strategies and performance implications”的综述文章。
文章系统梳理了陶瓷增材制造中的晶粒形成机制、细化策略及其对材料性能的影响。不同于以往主要围绕打印精度、致密化和缺陷控制展开的综述，该研究将关注点进一步推进至微观组织调控与性能设计，并建立了适用于直接和间接陶瓷增材制造的晶粒细化理论框架。作者表示：
“随着陶瓷增材制造逐渐解决‘能不能打印’和‘能不能致密’的问题，下一阶段的核心将是如何主动设计打印材料的微观组织。晶粒细化不仅能够提高强度和硬度，还可能抑制缺陷、降低性能离散性，从而推动陶瓷增材制造由复杂形状制造迈向高性能材料制造。”
陶瓷增材制造：复杂形状之外的材料挑战
先进陶瓷具有高硬度、耐磨、耐腐蚀以及优异的热稳定性和化学稳定性，被广泛应用于能源装备、航空航天、生物医疗、汽车制造和光电子器件等领域。
然而，传统陶瓷制造通常依赖模具成形、高温烧结和后续机械加工，不仅工艺周期长、成本较高，而且难以制造内部通道、点阵结构和复杂曲面等几何构型。
增材制造通过逐层构建，为复杂陶瓷构件的制造提供了新的路径。近年来，氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅、钛酸钡以及生物陶瓷等多种材料均已实现增材制造。
但对于陶瓷材料而言，“打印出来”并不等于“性能可靠”。
由于陶瓷的塑性变形能力有限，其断裂通常由内部孔隙、层间缺陷、微裂纹及微观组织不均匀性控制。因此，在实现复杂形状和高致密度之后，如何减小关键缺陷尺寸、改善晶粒组织并提高性能稳定性，正在成为陶瓷增材制造领域的新前沿。
晶粒细化：陶瓷和金属并不完全相同
在金属材料中，晶粒细化通常通过增加晶界数量、阻碍位错运动产生经典的细晶强化效应。
陶瓷的情况则更加复杂。
在多数服役条件下，陶瓷的塑性变形并不主要依赖位错滑移，其强度和可靠性更容易受到孔隙、裂纹及其他缺陷的控制。因此，陶瓷中的晶粒细化不仅是“增加晶界”，还具有以下作用：
- 减小潜在断裂缺陷的特征尺寸；
- 抑制加工过程中形成的裂纹；
- 改善微观组织均匀性；
- 提高强度和硬度；
- 降低力学性能的离散性；
- 改善复杂结构中的局部损伤容限。
在目前陶瓷增材制造通常能够达到的数百纳米至数微米晶粒范围内，继续细化晶粒仍普遍有利于强度、硬度和结构可靠性的提高。
不过，文章同时指出，陶瓷的断裂韧性并不一定随晶粒尺寸单调变化。过度细化可能削弱裂纹偏转、晶粒桥联和摩擦拔出等外在增韧机制。因此，晶粒细化并非简单追求“越细越好”，而是需要结合陶瓷种类、晶体结构、缺陷水平和服役需求进行优化。
两条不同的晶粒形成路径
陶瓷增材制造可以大致分为间接增材制造和直接增材制造。两者的晶粒形成机制完全不同，因此也需要采用不同的细化策略。
间接增材制造：先打印形状，再烧结组织
光固化、粘结剂喷射和材料挤出等间接增材制造方法，首先将陶瓷粉末与聚合物、粘结剂或浆料结合，打印得到具有目标形状的坯体，之后再通过脱脂和高温烧结实现致密化。
在这一过程中，打印阶段主要决定坯体形状和初始颗粒排列，真正的晶粒形成和长大主要发生于后续烧结。其微观组织演变受粉末粒径、颗粒分布、坯体均匀性、烧结温度、保温时间和升温速率等因素控制。
因此，间接增材制造晶粒调控的核心矛盾是：
既要充分消除孔隙、实现致密化，又要避免高温暴露引起晶粒过度长大。
烧结温度或保温时间不足，残余孔隙和层间缺陷难以消除；但温度过高或时间过长，又会加速晶界迁移并造成晶粒粗化。这种“致密化—晶粒长大”竞争，是间接陶瓷增材制造微观组织设计的核心。
直接增材制造：熔化、凝固和成形同步完成
激光定向能量沉积和选择性激光熔化等直接增材制造方法，可在打印过程中直接熔化陶瓷原料，并通过快速凝固实现成形和致密化。
这种单步制造方式减少了后续脱脂和烧结过程，但会产生陡峭的温度梯度和极高的冷却速率。陶瓷晶粒通常沿热流方向发生外延生长，形成跨越多个沉积层的大尺寸柱状晶。
这些连续柱状晶界容易为裂纹提供快速扩展路径，加之陶瓷本身塑性有限，使直接增材制造陶瓷具有较高的开裂敏感性。
因此，直接增材制造中的关键问题不是抑制烧结晶粒长大，而是：
如何打断外延柱状晶生长，促进柱状晶向细小等轴晶转变。
间接增材制造中的晶粒细化策略
针对间接增材制造，文章将主要策略归纳为原料设计、成分调控和先进烧结工艺三个方向。
优化粉末粒径与颗粒分布
较细的陶瓷粉末具有更大的比表面积和更短的扩散距离，能够在较低温度或较短时间内实现致密化，从而减少晶粒长大的机会。例如，在增材制造氧化钡钛陶瓷中，当原料颗粒尺寸由600 nm降低至200 nm时，最终平均晶粒尺寸由875 nm降低至362 nm。
但纳米粉末也更容易团聚，并可能导致浆料黏度升高、粉末流动性下降和局部烧结不均匀。因此，实际原料设计必须在烧结活性、铺粉性能、固相含量和浆料流变性能之间取得平衡。
文章指出，粗细粉末合理搭配的双峰粒径分布，有望同时提高坯体堆积密度和微观组织均匀性。
利用溶质偏聚和第二相钉扎晶界
在烧结过程中，少量添加元素可以偏聚至晶界，降低晶界迁移能力，产生类似“溶质拖曳”的作用。此外，稳定的第二相颗粒还可通过Zener钉扎阻碍晶界移动，从而抑制正常或异常晶粒长大。这类方法不仅能够细化晶粒，还可能增强晶界结合、改善致密化行为，从而提高材料的机械性能（如图1所示）。但添加剂必须严格控制，因为过量第二相或低熔点晶界相可能损害高温性能、化学稳定性和断裂抗力。
采用快速和多阶段烧结技术
提高升温速率可缩短材料在易发生表面扩散和早期粗化的温度区间内停留的时间，使孔隙消除更早占据主导，从而促进致密化并抑制晶粒长大。
两步烧结、放电等离子烧结、微波烧结、闪烧和超快速高温烧结等新型工艺，也为复杂陶瓷构件的快速致密化和细晶组织保持提供了新的可能。
不过，这些先进烧结方法在复杂形状构件中还面临温度不均匀、局部热点、尺寸效应和装备适配等挑战。
直接增材制造中的晶粒细化策略
对于直接熔化型陶瓷增材制造，文章重点讨论了成分设计、异质形核和外场辅助三类方法。
溶质调控：限制柱状晶生长
在熔池凝固过程中，具有较强偏聚能力的溶质会在固液界面前方富集，产生过冷区域，抑制原有柱状晶继续生长，并为新晶粒形核创造条件。这种能力可通过生长限制因子 进行描述。通常，
值越高，溶质产生的成分过冷越强，促进等轴晶形成的能力越明显。研究表明，在激光定向能量沉积YSZ陶瓷中，Al₂O₃添加能够将约110 μm的粗大柱状晶转变为约13 μm的细小等轴晶，晶粒尺寸降低近一个数量级。如图2所示。
这一转变不仅细化了组织，也打断了贯穿多个沉积层的连续晶界裂纹路径，从而显著降低开裂倾向。
文章还指出，传统凝固理论通常只考虑溶质产生的成分过冷，但在增材制造的极端快速凝固条件下，热过冷同样不可忽略。因此，直接照搬传统铸造中的晶粒尺寸模型，可能无法完整描述陶瓷增材制造中的晶粒形成过程。
异质形核：为新晶粒提供“种子”
溶质能够提供形核所需的过冷驱动力，但并不会自动增加有效形核位置。因此，要进一步细化晶粒，还需要引入能够促进异质形核的颗粒，即“形核剂”。
理想的陶瓷形核剂需要具备：
- 高于基体的熔点；
- 在高温陶瓷熔池中保持稳定；
- 与基体晶体结构具有良好匹配；
- 较低的界面能；
- 合适的粒径和较高的颗粒数量密度。
已有研究显示，TiB₂颗粒在Al₂O₃–ZrO₂陶瓷中可形成有利的界面过渡层，降低异质形核能垒，并将胞状组织尺寸由1.01 μm细化至0.362 μm。
但与金属相比，陶瓷熔点更高，熔池过热程度更大，候选形核剂容易快速溶解或发生反应。因此，开发兼具高温稳定性和晶体学匹配性的陶瓷形核剂，仍是该领域的重要难题。
超声辅助：在熔池中增加形核
除成分设计外，外加超声场也可改变熔池的凝固行为。
高强度超声通过声空化和声流效应：
- 促进枝晶破碎；
- 增加有效形核颗粒；
- 强化熔池对流；
- 均匀温度和成分分布；
- 抑制连续柱状晶生长。
在超声辅助激光定向能量沉积中，部分氧化铝—氧化锆陶瓷的晶粒尺寸可由约16 μm降低至约8 μm，并伴随硬度、耐磨性和压缩强度提高；在共晶陶瓷中，超声还可将共晶间距细化至约50–70 nm，并使断裂韧性达到约7–9 MPa·m¹ᐟ²。
但随着构件高度增加，超声能量在传播过程中会逐渐衰减，使其对大型构件的细化效果减弱。因此，非接触或近场超声耦合技术可能是未来的重要发展方向。
晶粒更细，性能一定更好吗？
文章对晶粒尺寸与力学性能之间的关系进行了系统分析，并强调：
晶粒细化的效果必须建立在高致密度和低缺陷水平的基础上。
如果打印材料中仍存在大尺寸孔隙、层间裂纹或未熔合缺陷，这些缺陷会优先控制断裂，晶粒细化带来的强化作用可能被完全掩盖。
如图3所示，在缺陷得到有效控制的条件下，晶粒细化通常可以：
- 提高硬度和强度；
- 减小临界裂纹尺寸；
- 提高耐磨性；
- 降低复杂几何构件局部区域的缺陷敏感性。
但对断裂韧性而言，晶粒尺寸的影响更加复杂。
对于部分陶瓷，较粗晶粒可以促进裂纹偏转、晶粒桥联和摩擦拔出，从而提高裂纹扩展阻力；而在纳米尺度下，晶界介导的变形和裂纹钝化机制又可能产生新的增韧效应。
因此，高性能陶瓷增材制造的目标并不是孤立追求最小晶粒，而是实现：
致密化、缺陷抑制、晶粒尺寸和增韧机制之间的协同优化。
从经验试错走向可预测的组织设计
文章进一步提出了陶瓷增材制造晶粒调控未来需要重点突破的方向。
首先，需要利用同步辐射、高速热成像和原位电子显微技术，直接观察打印、烧结和凝固过程中的晶粒演变，从而建立真实工艺条件下的微观机制模型。
其次，需要发展兼具高固相含量、良好流动性和低团聚倾向的纳米粉末及复合原料，使细粉末的高烧结活性真正转化为可重复的细晶组织。
对于直接增材制造，则需要结合CALPHAD计算、晶体学匹配模型和高通量筛选，开发高生长限制能力的溶质以及耐高温、低失配的陶瓷形核剂。
此外，还需要进一步研究超声、磁场和电场等外场与陶瓷熔池之间的相互作用，并解决外场辅助技术在大型复杂构件中的均匀性和可扩展性问题。
更重要的是，未来研究需要将粉末性质、打印参数、热历史、晶粒尺寸、缺陷分布与力学性能统一起来，建立可预测的“工艺—组织—缺陷—性能”关系，使陶瓷增材制造逐渐由经验试错转向数据和机制驱动的材料设计。
该综述展示了陶瓷增材制造领域正在发生的重要转变：
增材制造不再只是用陶瓷打印复杂形状，也可以成为调控晶粒、缺陷和性能的材料制造平台。
未来，通过将先进粉末设计、计算热力学、晶体学形核理论、原位表征和外场辅助技术相结合，有望在复杂陶瓷构件中实现可预测的细晶组织与可靠性能，为航空航天、能源装备、生物医疗和极端环境服役部件提供新的制造路径。
文章信息：
Grain refinement in ceramic additive manufacturing: Mechanisms, strategies and performance implications
Journal of the European Ceramic Society, 46 (2026) 118602
DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2026.118602
文章由樊至骐和谭启玚共同第一作者，康城玮和李常胜为共同通讯作者
