2026年7月22日，美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员正在开发一种参考材料——一种精心设计的氧化锆浆料，旨在帮助陶瓷 3D 打印技术生产出性能稳定可靠的零件。氧化锆浆料所解决的问题看似简单，实则不然：用于打印的湿陶瓷原料的精确计量历来十分困难，而如果没有可靠的测量方法来验证这一计量结果，打印出的陶瓷零件就会出现批次间的差异。这种材料最终有望成为 NIST 的官方标准，为陶瓷 3D 打印领域最棘手的步骤之一提供统一的衡量标准。这项由美国国家标准与技术研究院（NIST）材料科学家罗素·迈尔（Russell Maier）及其同事冉涛（Ran Tao）和塞缪尔·黑尔斯（SamuelHales）领导的研究意义重大，因为陶瓷正从小众领域走向关键领域。氧化铝和氧化锆等功能陶瓷具有轻质、耐用、优异的电绝缘性以及耐高温等特性，非常适合用于电子产品、防弹装甲、火箭发动机部件，以及日益普及的医疗和牙科植入物。
△功能陶瓷（与用于陶器等更常见用途的陶瓷不同）是医疗和牙科植入物的理想选择。
流变性能测量难题
难点在于原料的物理特性。陶瓷打印通常以悬浮在水或聚合物中的细颗粒浆料为原料，这种材料是非牛顿流体，稠度会随所受力而变化。迈尔举了番茄酱的例子来解释这一点。倒置的番茄酱瓶不会倒出，但用力敲击瓶身，就会挤出一团番茄酱。敲击前，番茄酱的稠度大约是蜂蜜的五倍；敲击后，粘度大约是蜂蜜的一半。蜂蜜是牛顿流体，流变行为绝不会如此。陶瓷浆料也具有番茄酱这种难以捉摸的特性，而控制这种特性正是打印成功的关键。迈尔说：“任何新事物出现时，人们都会怀疑它是否有效。我们的研究部分目的就是帮助提高陶瓷打印的稳定性和可靠性。”
每种打印方式都需要对工艺进行不同的调整。在浆料挤出成型工艺中，喷嘴像面包师给蛋糕抹奶油一样将陶瓷材料涂抹在模具上，材料必须能够顺畅地流过机器，并在沉积后保持形状，然后再进行干燥和窑烧。在槽式成型工艺中，紫外光透过浆料槽的透明底部照射，逐层固化，这种工艺可以实现更精细的细节，但需要更昂贵的原材料，并且脱脂步骤可能需要数天才能去除聚合物。迈尔说：“了解浆料的流动性是这两种工艺获得良好最终效果的关键。有时你需要浆料流动性好，有时则需要它保持形状。”
用于测量这种特性的仪器是流变仪，它将样品挤压在两块平板之间，旋转其中一块平板，同时测量使糊状物移动所需的力。要准确测量这种特性非常困难。许多浆料都是水性的，会随着时间的推移而干燥，从而改变性质。这些材料还具有某种记忆性，就像床垫泡沫会慢慢恢复原状一样，因此即使在将样品放入仪器时触摸它，也会影响读数。更糟糕的是，陶瓷可能会润滑平板，使其在表面滑动而不是剪切。所有这些都让用户无法确定他们的流变仪是否准确。
△3D打印陶瓷。图片来自Boss/NIST。
可参照的标准化浆料
这种不确定性正是参考物质的作用所在。参考物质附带一份已知属性列表，实验室可以进行测量，并与美国国家标准与技术研究院
(NIST)
的数据进行比较，从而验证自身的结果。迈尔的团队用悬浮在液态聚合物中的微小氧化锆颗粒（类似于湿黏土）制成了参考物质，这种物质能够反复产生相同的流变仪读数。为了防止干燥，他们使用了聚乙二醇，这是一种与润唇膏中相同的非挥发性成分。为了解决记忆效应问题，浆料配备了重置程序：快速搅拌直至尽可能稀薄，然后完全松弛，这样每次测量都从相同的状态开始。下一步是进行实验室间比对，将浆料送至全国各地的实验室进行测量，以验证各实验室是否得出相同的结果。如果结果一致，则该浆液有望成为一种成熟的标准参考物质。
迈尔指出，这种技术的优势在于医疗领域。除了目前普遍采用陶瓷打印的牙科植入体之外，新型植入体正在研发中，这些植入体在形状、微观结构、材料和性能上都与骨骼相匹配。由于它们可以由与骨骼相同的矿物质制成，并复制内部结构，因此与钛相比，这类植入体更容易与活体组织融合，这意味着术后恢复可能更容易。
标准化是陶瓷业发展的下一个前沿领域
NIST 的策略是一项计量学策略：它不去追求新的陶瓷或更快的打印机，而是着手解决整个流程底层的测量问题。解决思路是只有当陶瓷 3D 打印的输入能够在任何地方以相同的方式进行验证时，它才能扩展到受监管的、安全至关重要的用途。这填补了行业自身一直在探索的一个空白。在2026年德国国际陶瓷技术展览会（Ceramitec
2026）上，Lithoz推出了升级版医用级氧化锆和氧化铝增韧氧化锆配方，核心在于提高一致性，并强调更高的威布尔模量（一种衡量成品陶瓷部件强度差异的统计指标），这对于牙科种植螺钉等可靠部件至关重要。Lithoz致力于降低成品的变异性，而美国国家标准与技术研究院（NIST）则致力于控制原料的变异性；两者的目标一致，即生产值得信赖且可重复的陶瓷部件。
△Lithoz氧化锆锁子甲。图片来自Lithoz
同样的压力正在重塑陶瓷的大规模生产方式。2025 年末，3DCeram Sinto详细介绍了C1000 FLEXMATIC 系统如何利用自动化和人工智能驱动的过程控制来维持零件质量在重复生产周期中的稳定性，并消除阻碍陶瓷增材制造工业化的一大障碍。但自动化过程控制只有在首先正确表征进料的情况下才能稳定成型，而这正是 NIST 参考浆料旨在锚定的上游测量指标。陶瓷打印技术拥有所需的材料和设备，但一直缺乏一种通用的方法来验证湿原料的成分是否与打印机的预期一致。NIST 的浆料测试正是为了填补这一空白。
来源：南极熊
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