磨削技術(shù)
德國新技術(shù)：無需燒結(jié)的3D玻璃打印工藝問世 |
| 發(fā)布時間：2023/7/29 |
| 過往玻璃的3D打印需要依靠高溫燒結(jié)，但德國一所大學新開發(fā)的3D玻璃打印技術(shù)，可以在無燒結(jié)且低溫的情況下，將納米級的玻璃打印在芯片或其他光學儀器上。這項創(chuàng)舉將為光學、光子學和半導體技術(shù)領(lǐng)域開辟許多新的應用。 德國卡爾斯魯厄理工學院（Karlsruher Institut für Technologie，KIT）開發(fā)的3D玻璃打印工藝為“多面體低聚倍半硅氧烷（POSS）”。這項工藝利用有機物和無機物混合的聚合物樹脂作為打印的原料，將玻璃打印在物品上，且過程無需高溫燒結(jié)。該大學將這項工藝寫成論文，并在6月發(fā)表至《科學》雜志上。  論文介紹，玻璃卓越的光學透明度及熱、化學和機械彈性，使其成為現(xiàn)代工程應用最重要的材料之一，但普通玻璃（二氧化硅）熔點為1100°C左右，這使得它在打印上一直具有挑戰(zhàn)性。 盡管，玻璃在塑型和制造上取得了很大進展，但仍然依賴既定的工業(yè)流程與古法吹制技術(shù)，才能讓玻璃熔化或顆粒燒結(jié)。此外，過去常用的雙光子聚合（TPP）3D石英玻璃樹脂納米打印技術(shù)雖然具有相當大的潛力，但很大程度被限制在平面結(jié)構(gòu)進行打印，因此適用性十分有限。 原因是單純雙光子聚合（TPP）打印出來的成品，需要在含有惰性氣體和1100°C至1300°C的高溫度環(huán)境中進行數(shù)天的燒結(jié)程序，才能消除打印過程中的黏合劑，最終讓玻璃顆粒融合成固體。 不過，這種高溫會破壞半導體、太陽能電池、紅外和光纖、激光器和光電探測器中的材料。因此，傳統(tǒng)的石英玻璃樹脂不能直接在芯片或不耐熱的儀器上打印，只能依靠印后組裝，但這些問題會降低它的競爭能力。 這次，德國卡爾斯魯厄理工學院團隊使用有機-無機聚合物樹脂作為原料，可以在低溫情況下打印復雜的透明熔融石英玻璃納米結(jié)構(gòu)。 他們在POSS-玻璃樹脂中使用一款有機的黏合劑“丙烯酸酯”與二氧化硅混合的3D打印材料，并透過TPP工法將玻璃打印在平臺上，隨后將半成品放置在650°C環(huán)境（含有空氣）中去除丙烯酸酯，最終獲得完整熔融狀態(tài)的玻璃。 用這種新的方式打印出來的玻璃，在分辨率、結(jié)構(gòu)質(zhì)量和可覆蓋尺寸范圍方面優(yōu)于無機TPP打印材料，且大小可以調(diào)整為數(shù)十至數(shù)百納米之間，而成品型狀有晶格、土丘和同心圓環(huán)。 科學家發(fā)現(xiàn)，光子晶體（玻璃顆粒）之間的距離大約350nm，這表明能夠在接近紫外（UV）范圍的波長下實現(xiàn)納米光子結(jié)構(gòu)，因此產(chǎn)品在光學顯微照射下顯示了反射藍紫色光的結(jié)構(gòu)，以及通過更大的顆粒間距，調(diào)整反射出來的顏色，例如：紅、綠和黃等。 此外，這種打印出來的玻璃光子晶體的透射率，遠比單純用TPP技術(shù)在1100°C進行燒結(jié)的熔融玻璃更好。除此之外，POSS打印出來的玻璃即使暴露于1000°C的高溫中也沒有顯著改變材料的透射率。 除了透射率之外，他們還發(fā)現(xiàn)，這種方法打印出來的微柱結(jié)構(gòu)，在機械彈性、強度和剛度上，也比普通TPP 打印出來的玻璃強度高出10倍左右，還能增加高微透鏡的精度。南通第二機床有限公司是中國著名的大型平面磨床生產(chǎn)廠家之一，主要制造平面磨床、龍門銑床、電磁吸盤、壓力機系列產(chǎn)品。 為了證實材料表征，他們對打印的過程和成品進行檢測。數(shù)據(jù)顯示，成品在650°C時重量有損失，這表示丙烯酸酯聚合物在完全熱解后被去除；對選定區(qū)域進行觀察，看到成品有著均勻的非晶微觀結(jié)構(gòu)且沒有任何孔洞；還證實該材料僅由硅和氧組成。 另外，他們對POSS打印出來的玻璃加熱至1200°C，其仍能保持幾何完整性，且沒有測量到進一步的收縮。這表示其結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。 以上實驗成果表示，POSS樹脂打印工藝，實現(xiàn)過往只有在3D打印使用標準的有機樹脂才能做的聚合結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、復雜性和可覆蓋尺寸大小，同時能在不破壞半導體、太陽能電池、激光器和光電探測器中的溫度中進行打印。 KIT納米技術(shù)研究所延斯·鮑爾（Jens Bauer）博士對該校的新聞室表示，“POSS樹脂的打印溫度較低，因此可以直接在半導體芯片上以自由形式，打印出堅固的光學級玻璃結(jié)構(gòu)，同時具有可見光納米光子學所需的分辨率。 他還表示，“這種打印生產(chǎn)的石英玻璃，除了具有優(yōu)異的光學品質(zhì)外，還具有優(yōu)異的機械性能，且易于加工。另外，我們的工藝生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)，即使在惡劣的化學或熱條件下也能保持穩(wěn)定。” |
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