雙光子聚合技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)陶瓷粉末的3D打印成形工藝

供稿人:陳銳光,，連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　

在陶瓷3D打印領(lǐng)域,，基于激光束或數(shù)字微反射鏡的光固化成形技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了XY平面10 μm,，Z軸2μm高精度打印,。然而在原理上,，受阿貝爾衍射極限的限制，則在工藝上因液料表面疊加成形的方式,，又受到樹脂粘度和表面張力等的影響,，難以進(jìn)一步提升打印精度。雙光子聚合技術(shù)（2PP）在原理上不受阿貝爾衍射極限的局限,，且聚合反應(yīng)在液料內(nèi)部發(fā)生，因而也不具有上述工藝限制,，有望實(shí)現(xiàn)更高精度的打印,。

德國BAM所J C Sanger,，Jens Günster等人首次把雙光子聚合技術(shù)用于陶瓷粉末的3D打印成形工藝。由于2PP設(shè)備使用的是780 nm波長飛秒激光光源,，傳統(tǒng)光固化3D打印制備陶瓷漿料的方法無法滿足要求,，該團(tuán)隊(duì)研制了一種新型的水性光固化漿料——nanoCAM，該材料為高陶瓷負(fù)載,、分散性非常好的氧化鋁增韌氧化鋯（ZTA）,。高度分散的納米顆粒賦予了該漿料良好的透光性，由此克服光散射并確保高精度的打印,。nanoCAM漿料中陶瓷顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約50%,，其中氧化鋯（30nm）和氧化鋁(200nm)的質(zhì)量比為8：2，,；在0.1mm的深度處,，光透過率為65%，能夠打印最大尺寸為100μm樣品,。隨后的實(shí)驗(yàn)確定了2PP中關(guān)鍵參數(shù)的較優(yōu)值：掃描速度5000μm/s,，激光功率20mW，焦點(diǎn)間距0.1μm,，層厚0.99μm,。為嘗試更大的打印幅面，在氧化鋁基板上,，以拼接的方式打印了2×2的晶格結(jié)構(gòu),，見圖1。打印成形的素坯經(jīng)過脫脂和燒結(jié),，得到最終樣品,。由于氧化鋁基板和漿料存在收縮率差異，晶格結(jié)構(gòu)頂部和底部的收縮并不均勻,。此外,，燒結(jié)后的樣品拼接處有明顯的空隙。

圖1. 2pp打印的全陶瓷拼接式支架的SEM圖像

針對收縮不均勻的問題,，該團(tuán)隊(duì)提出一種在基板和打印樣品加入犧牲結(jié)構(gòu)的策略,，并獲得了均勻收縮的樣品，而犧牲結(jié)構(gòu)則因?yàn)闊�結(jié)收縮時,，剛性,、不收縮的氧化鋁支撐產(chǎn)生的巨大應(yīng)力而完全解體，見圖2,。EDX檢測證實(shí)了物質(zhì)成分為氧化鋁和氧化鋯,。背散射模式的電鏡下可觀察到氧化鋁和氧化鋯顆粒分散均勻，形成了緊密的組織結(jié)構(gòu)。該研究驗(yàn)證了將傳統(tǒng)陶瓷加工與雙光子聚合(2PP)技術(shù)相結(jié)合的可行性,，制造了最精細(xì)的先進(jìn)陶瓷結(jié)構(gòu),，并有望由此獲優(yōu)越的物理化學(xué)特性。

圖2. 支架在支撐結(jié)構(gòu)的頂部

參考文獻(xiàn)：
Snger, J. C. , Pauw, B. R. , Sturm, H. , & Jens Günster. (2020). First time additively manufactured advanced ceramics by using two-photon polymerization for powder processing. Open Ceramics.