傳統(tǒng)上，雙光子聚合 (2PP) 3D打印技術(shù)用于處理光敏樹脂材料，這與通常完全不透明的陶瓷樹脂和陶瓷漿料截然相反。然而，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究，最新的發(fā)展將雙光子聚合 (2PP) 3D打印技術(shù)用于處理一種透明且可光固化的納米顆粒（樹脂）懸浮液，其中含有非常高的氧化釔穩(wěn)定氧化鋯顆粒 (YSZ) 。由于納米粒子分散得非常好，在 800 nm 的工藝相關(guān)波長下可以有效抑制光的散射。獲得分辨率低至 500 nm 的燒結(jié)陶瓷結(jié)構(gòu)，即使降低氧化釔穩(wěn)定氧化鋯顆粒密度，所得的 4.5 GPa 抗壓強(qiáng)度也相當(dāng)于甚至超過塊狀整體氧化釔穩(wěn)定氧化鋯。

     由此，通過雙光子聚合 (2PP) 3D打印技術(shù)制造陶瓷超材料的技術(shù)誕生了，其中氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯的機(jī)械性能通過改變參數(shù)而改變。

各種材料的密度與強(qiáng)度相關(guān)性
© Advanced Materials

  微觀與宏觀的協(xié)同作用

      許多天然材料（如骨骼、牙釉質(zhì)和珍珠質(zhì)）的成功取決于微觀結(jié)構(gòu)和拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)之間的獨(dú)特組合。這種材料的“微觀內(nèi)在”與“宏觀外在”的協(xié)同作用產(chǎn)生了經(jīng)典材料設(shè)計(jì)無法實(shí)現(xiàn)的屬性組合，其中整體材料及其微觀結(jié)構(gòu)是研究的焦點(diǎn)。

© 3D科學(xué)谷白皮書

根據(jù)《具有自我感知力的機(jī)器人超材料設(shè)計(jì)與3D打印》一文，增材制造技術(shù)的進(jìn)步，使材料具有超高的剛度和損傷容限、奇異的力學(xué)行為、負(fù)熱膨脹系數(shù)、流體控制和波傳播。這些材料，可以通過將結(jié)構(gòu)元素以比特和原子的形式放置在三維(3D)布局中進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)。

這種認(rèn)識(shí)催生了所謂的超材料，材料科學(xué)家試圖模仿自然，從而創(chuàng)造出新的廣泛的功能和機(jī)械特性，典型的案例包括與大塊同類材料相比密度只有幾個(gè)百分點(diǎn)的機(jī)械超材料，但具有非凡的強(qiáng)度，以及用于光學(xué)隱身或?qū)拵�偏振的超材料�?/span>

增材制造是設(shè)計(jì)和制造新型超材料的理想加工途徑，雙光子聚合 (2PP)的非線性光吸收允許打印特征尺寸小于 100 nm 的聚合物超材料。在2PP過程中，聚合物預(yù)晶格是通過 3D 直接激光寫入的。隨后在預(yù)晶格上覆蓋一層納米厚的金屬或陶瓷，并獲得基于聚合物的復(fù)合超材料。如果需要，還可以去除聚合物預(yù)晶格，例如，產(chǎn)生具有顯著性能的空心陶瓷結(jié)構(gòu)。

微3D打印的技術(shù)類型
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不過，通過 2PP 雙光子聚合直接3D打印全金屬或陶瓷超材料似乎是不可能的，從根本上受到樹脂中固相光散射的限制。克服這一限制的一個(gè)途徑是開發(fā)可產(chǎn)生聚合物部件的 2PP 兼容透明聚合物衍生陶瓷 (PDC)。

 降低光散射影響

根據(jù)發(fā)表在Advanced Materials上的《Entering a New Dimension in Powder Processing for Advanced Ceramics Shaping》論文，研究人員展示了如何在初步工作的基礎(chǔ)上釋放 2PP 設(shè)計(jì)的超材料中技術(shù)陶瓷的全部潛力。通過減小陶瓷顆粒尺寸并充分縮小其尺寸分布，允許通過2PP 雙光子聚合對材料進(jìn)行加工，而不會(huì)產(chǎn)生有害的光散射。

通過雙光子聚合和 1200 °C 燒結(jié)的增材制造超材料。a) 平面內(nèi) x-y 分辨率為 1 µm 頂視圖的無失真晶格立方體。b) 45° 和 90°（插圖）側(cè)視圖。c) 放大顯示單個(gè)韌帶。d) 計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)模型。
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具體而言，由極其良好分散的氧化釔和氧化鋯納米顆粒組成的透明陶瓷漿料可以產(chǎn)生單片氧化釔穩(wěn)定氧化鋯 (YSZ) 結(jié)構(gòu)，韌帶尺寸在 400 至 500 nm 之間。這構(gòu)成了迄今為止增材制造的全陶瓷材料粉末基材料的最高分辨率，這促進(jìn)了超強(qiáng)納米級(jí)材料的發(fā)展，從而使得納米級(jí) 2PP 增材制造工藝可以用來設(shè)計(jì)全陶瓷超材料和納米結(jié)構(gòu)，類似于 PDC 結(jié)構(gòu)，即使在大表面積下也能保證熱力學(xué)穩(wěn)定性和出色的機(jī)械性能和最好的特征尺寸。

2PP雙光子聚合3D打印和燒結(jié)氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯納米結(jié)構(gòu)。a) 完全實(shí)心和 b) 中空晶格立方體，在 1200 °C 下燒結(jié)。 (b) 中突出顯示了 500 nm 的分辨率。c、d）分別為實(shí)心（在 1450 °C 下燒結(jié)）和空心（在 1200 °C 下燒結(jié)）結(jié)構(gòu)。
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    通過使用分散性極佳的納米粒子，光散射對懸浮液中陶瓷（氧化鋯）粒子的影響已降低至可忽略不計(jì)的水平。這種固體含量高達(dá) 80 wt% 的透明氧化鋯漿料顯示出高透明度，并允許通過 800 nm 波長的飛秒激光脈沖對其光固化有機(jī)物進(jìn)行局部交聯(lián)。復(fù)雜的3D打印結(jié)構(gòu)已成功以 500 nm 的分辨率打印、清洗并燒結(jié)成致密的陶瓷結(jié)構(gòu)。測得的抗壓強(qiáng)度值類似于單片氧化釔穩(wěn)定氧化鋯樣品，但同時(shí)密度顯著降低。

(責(zé)任編輯：admin)

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