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北京理工大學(xué)何汝杰：先驅(qū)體轉(zhuǎn)化SiOC陶瓷微點陣結(jié)構(gòu)3D打印精度與力學(xué)性能

更新時間：2024-05-24

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研究背景與意義：

先驅(qū)體轉(zhuǎn)化SiOC陶瓷材料 (PDC-SiOC) 具有優(yōu)異的抗氧化性、熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能，有望作為航空航天耐高溫材料。近年來，具有人工設(shè)計周期性結(jié)構(gòu)的點陣結(jié)構(gòu)因其表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，已成為結(jié)構(gòu)力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一。然而，傳統(tǒng)機械加工的方法難以實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)PDC-SiOC點陣結(jié)構(gòu)的高精度制造。

3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷材料的一體化成型，尤其在復(fù)雜陶瓷點陣結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大優(yōu)勢。其中，光固化3D打印技術(shù)具有最高的成型精度，適用于PDC-SiOC點陣結(jié)構(gòu)的高精度制造。然而，一方面，目前關(guān)于PDC-SiOC陶瓷點陣結(jié)構(gòu)3D打印的制造精度及力學(xué)性能仍存在較多限制，結(jié)構(gòu)特征尺寸一般為幾百微米。隨著PDC-SiOC結(jié)構(gòu)及器件向著小型化發(fā)展，特征尺寸通常要小于100 μm甚至更小，雖然目前已有雙光子光刻等高精度3D打印方法，但制備的材料尺寸過小、難以應(yīng)用。另一方面，目前報道的PDC-SiOC點陣結(jié)構(gòu)力學(xué)性能較弱，壓縮強度一般僅有0.06 ~ 10MPa。亟待開展高精度、高強度3D打印PDC-SiOC微點陣結(jié)構(gòu)研究。

研究內(nèi)容：

針對以上問題，北京理工大學(xué)何汝杰教授使用摩方精密面投影微立體 (PμSL) 光刻3D打印技術(shù)（nanoArch® S140pro，精度：10 μm）對PDC-SiOC微點陣結(jié)構(gòu)的高精度制造工藝進行了研究。采用蘇丹III作為光吸收劑，對光敏前驅(qū)體進行改性并光固化3D打印。結(jié)果表明，蘇丹III對改性光敏樹脂的紫外光吸收、流變行為與光固化過程影響顯著。通過精準控制蘇丹III加入量，能夠有效調(diào)控PDC-SiOC微點陣的3D打印精度。隨著蘇丹III含量從0.02 wt.%增加到0.06 wt.%，3D打印精度由180%提高到12.5%，實現(xiàn)了PDC-SiOC微點陣的高精度制造。

圖1 (a) 環(huán)氧硅酮樹脂改性過程及 (b) PDC-SiOC微點陣3D打印工藝。

圖2 (a) 點陣結(jié)構(gòu)模型；(b) 模型切片圖片；蘇丹III添加量為 (c) 0%、(d) 0.02%、(e) 0.04%、(f) 0.06%、(g) 0.08時微點陣結(jié)構(gòu)x-y及x-z平面顯微圖像；(h) 不同蘇丹III添加量下打印精度變化；(i-l) 不同蘇丹III添加量下微點陣SEM圖像及(m) 添加量為0.06%時微點陣EDS圖像。

圖3 不同蘇丹III添加量下改性光敏樹脂 (a)紫外吸收光譜圖及 (b) 光固化機理；(c) 改性光敏樹脂流變行為及 (d) 不同粘度下光固化機理。

此外，研究人員還通過XRD、拉曼、FTIR等表征手段對先驅(qū)體聚合物的陶瓷化過程進行了研究。熱解過程中先驅(qū)體聚合物表面的C-H、C=O、Si-O等有機官能團發(fā)生斷裂，并以小分子氣體的形式釋放出，造成聚合物熱解質(zhì)量損失 (約73.5%) 及體積收縮 (約43%) 。熱解后所得PDC-SiOC微點陣結(jié)構(gòu)未被破壞，且結(jié)構(gòu)為無定型。

圖4 熱解前后 (a) XRD及 (b) 拉曼光譜圖；(c) 先驅(qū)體聚合物TG-DTG圖像；(d) 熱解前后FT-IR圖像；添加量為0.06%和0.08%時 (e) 熱解后PDC-SiOC顯微圖像及 (f) 熱解收縮率。

研究人員進一步嘗試對PDC-SiOC微點陣在更小的尺度進行高精度制造，成功制備出具有不同特征尺寸的微點陣結(jié)構(gòu)。獲得的PDC-SiOC微點陣結(jié)構(gòu)桿徑尺寸52 ~ 220 μm。此外，研究人員對PDC-SiOC微點陣結(jié)構(gòu)在小尺度下的力學(xué)強度增強效應(yīng)進行了研究。結(jié)果表明，隨著桿徑從220 μm減小到52 μm，微點陣結(jié)構(gòu)的抗壓強度從8 MPa提高到31 MPa。Branicio等人的報道指出，脆性陶瓷在破壞過程中形成的微裂紋產(chǎn)生于位錯線性成核。尺寸效應(yīng)可能是由于破壞過程中材料微區(qū)出現(xiàn)的“位錯饑餓"現(xiàn)象。與更大桿徑尺寸相比，位錯在小尺寸桁架移動和繁衍過程中更趨向于材料表面，從而使PDC-SiOC微點陣力學(xué)強度增加。

圖5 不同特征尺寸下PDC-SiOC微點陣結(jié)構(gòu) (a-e) 模型圖；(f-o) 宏觀照片；(p-f) 顯微圖像。

圖7 不同特征尺寸先驅(qū)體聚合物熱解收縮率、熱解前后表觀密度及熱解后相對密度。

圖8 (a) 壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b) 原位壓縮實驗; (c) 壓縮后微點陣結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖；(d) 小尺度力學(xué)強度增強原理圖。

與現(xiàn)有報道相比，研究團隊制備的3D打印PDC-SiOC微點陣結(jié)構(gòu)打印精度更高、力學(xué)性能更好，為高精度、高強度PDC-SiOC的研究工作提供了指導(dǎo)和啟發(fā)，并為PDC-SiOC微型器件的應(yīng)用提供制造基礎(chǔ)。