面对增材制造陶瓷因本征脆性及逐层成型、烧结收缩、热应力演化等工艺固有缺陷而长期难以实现工业应用的瓶颈，西南交通大学材料科学与工程学院李琦教授团队取得重要进展。该团队创新性地提出了多尺度协同增韧的统一定义，建立了以协同效率η为核心的定量评价体系（η≥1.1为真协同，1.0<η<1.1为线性叠加，η≤1.0为机制拮抗），并系统总结了工艺不兼容、界面失配、尺度不兼容三大失效模式，提出了分阶段技术路线图，填补了该领域在协同增韧定量标准与负面案例总结方面的空白。相关成果以“Toughening strategies for additively manufactured ceramics: A multiscale review of mechanisms and process-structure-property relationships”为题，发表于国际知名期刊《Journal of Materials Science & Technology》（中科院一区Top，JCR Q1，IF=16.8）。博士研究生邰浩云为第一作者，李琦教授、曹培政博士、苏州实验室王峰博士为共同通讯作者。

该综述将增材制造陶瓷增韧机制重构为四类基本单元：（1）纳米级被动增韧（相变/纳米复合），（2）微-介观被动增韧（颗粒/纤维/晶须），（3）介-宏观被动增韧（仿生结构），（4）全尺度主动增韧（自修复），系统评估了各单元与VPP、DIW、SLS、粘结剂喷射等主流工艺的兼容性，并指出纳米级和微-介观被动增韧具有中等兼容性，介-宏观被动增韧具有良好的工艺兼容性，而全尺度主动增韧则因高温烧结导致修复剂过早失活而兼容性较低。在此基础上，文章剖析了三种协同增韧模式的耦合机制：空间协同按应力场精准布局增韧机制，时间协同在裂纹扩展过程中级联激活多尺度能量耗散，功能协同通过增韧机制互补破解彼此性能瓶颈。典型案例包括基于螳螂虾双连续结构的VPP仿生复合材料（η=1.22）、冻铸与DIW协同的多级孔陶瓷（η=1.32）及Al₂O₃/SiCw/SiCp复合体系（η=1.28），验证了三种协同模式的性能增益均超过各机制线性叠加之和。同时，综述批判性总结了三大失效模式及其代表性负案例：工艺不兼容导致协同效率仅为0.68，界面失配使η降至0.86，尺度不兼容造成η约为0.88，均表现为性能劣于单机制体系，揭示了工艺缺陷对协同效应的抵消机制。

图1 增韧机制多尺度金字塔框架

图2 空间协同—螳螂虾启发双连续结构

（韧性提升116倍）

在成型工艺层面，文章梳理了光固化、挤出成型等主流技术的精度边界与适用体系；在结构设计层面，以仿生构型为切入点阐明了多尺度结构对陶瓷强韧化的关键作用；在增韧机制层面，总结了晶须增强、颗粒复合等策略的强化机理与性能增益，并通过Ashby性能图对各类材料体系进行了系统定位与横向比较。

图3 多尺度协同增韧性能突破

（强度-韧性Ashby图）

在工业化层面，该综述指出当前存在的三大研究误区——将线性叠加误判为协同效应、仅关注实验室小样性能而忽视工艺可行性与批次稳定性、仅测试室温静态韧性而忽略实际服役环境下的性能演化——并识别出四大产业化瓶颈：缺乏定量表征与评价标准体系、缺少多尺度预测设计模型、AM工艺与多机制耦合的兼容性不足、批次稳定性与可靠性无法满足安全关键场景要求。针对上述瓶颈，文章提出了2–4年、5–8年、9–12年三阶段技术路线图，明确了从标准化到定向设计再到工业化应用的量化里程碑，涵盖标准规范制定、数据库构建、多物理场模型开发（预测误差≤15%）、协同体系η≥1.3且批次波动≤10%、大尺寸构件（≥500 mm）稳定制备及航空/医疗领域寿命验证等关键节点。

图4 协同增韧三大失效模式与负面案例

图5 领域三大研究误区警示

该综述打破了传统“单一机制试错优化”范式，提出了以工艺兼容性为前提、界面匹配为核心、尺度互补为基础的多尺度协同增韧设计准则，构建了“预测设计—精准制造—定量表征—服役验证”的端到端体系，为高性能增韧陶瓷的工程应用提供了系统性的技术路径与理论支撑。总体而言，增材制造正推动复杂结构陶瓷材料与部件从“经验试错”迈向“结构可设计、性能可预测”的新阶段，该综述为增材制造陶瓷在航空航天、生物医学、国防、能源等关键领域的工程化应用指明了发展路径。

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2026.08.021