近日，中国科学院上海高等研究院唐志永研究员和张洁副研究员带领的工程科学研究组在期刊Ceramics International上发表了名为“3D printing of gadolinium oxide structure neutron absorber”的研究论文，该研究首次实现了复杂结构氧化钆（Gd₂O₃）陶瓷材料的增材制造。论文的作者为上海高研院的博士研究生王刚，通讯作者为上海高研院的张洁副研究员和中国散裂中子源的梅龙伟副研究员。 

图1： 3D打印氧化钆中子吸收器结构示意图 

钆（Gd）元素通常以氧化钆的形式存在于自然界中，其中¹⁵⁵₆₄Gd和¹⁵⁷₆₄Gd两种同位素含量超过了30%，同时由于其具有较大的热中子吸收截面（分别为60900和254000 Barn），被广泛应用于核物理和核医学领域进行中子屏蔽和中子捕获。但是氧化钆具有较高的熔点(2350℃)和强度，限制了使用铣、削以及注塑等传统手段对其进行加工。利用粘结牺牲剂的方法也要面临缺少灵活性以及模型成本高等问题。本文利用DLP面曝光技术，通过对陶瓷浆料系统的折射率匹配以及流变学研究，探究出了一种同时具备高流变性能和固相负载量的浆料体系应用于3D打印。对打印过程的曝光时间、强度以及层厚等影响因素综合研究得出了较优的匹配条件，并成功连续制备了超长（10 cm）超薄（0.3 mm）的复杂晶格结构中子吸收器。除此之外，本文还对该材料的收缩性能、相变过程以及后处理过程中的烧结行为和多孔性能进行了研究，所制备的材料弹性模量超过20 GPa，与之前文献中报道的纯氧化钆结构强度趋势相吻合，表示该技术在核物理和核医学等相关领域具有潜在的应用场景。 

图2 氧化钆陶瓷浆料体系（a）粘度和（b）流变性能 

图3 打印产品强度与应变关系（左图）以及相含量与烧结温度的关系（右图） 

图4部分打印实物照片 

本文采用的DLP-3D打印技术可以实现较少原材料的复杂结构快速成型，能够满足核中子相关应用场景对氧化钆结构成形的个性化需求。下一步，研究人员将继续研究包括液相烧结、热等静压烧结以及等离子闪烧技术等在内的多种烧结工艺对氧化钆结构性能的影响，进一步提高产品相关性能。本研究得到了国家自然基金、国家重点研发计划项目、国家核能安全监测技术和装备国家重点实验室以及中科院青促会的支持。 

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.08.118