磨削技術(shù)
德國新技術(shù):無(wú)需燒結的3D玻璃打印工藝問(wèn)世 |
發(fā)布時(shí)間:2023/7/29 |
過(guò)往玻璃的3D打印需要依靠高溫燒結,但德國一所大學(xué)新開(kāi)發(fā)的3D玻璃打印技術(shù),可以在無(wú)燒結且低溫的情況下,將納米級的玻璃打印在芯片或其他光學(xué)儀器上。這項創(chuàng )舉將為光學(xué)、光子學(xué)和半導體技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)辟許多新的應用。 德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院(Karlsruher Institut für Technologie,KIT)開(kāi)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(wú)機物混合的聚合物樹(shù)脂作為打印的原料,將玻璃打印在物品上,且過(guò)程無(wú)需高溫燒結。該大學(xué)將這項工藝寫(xiě)成論文,并在6月發(fā)表至《科學(xué)》雜志上。 ![]() 論文介紹,玻璃卓越的光學(xué)透明度及熱、化學(xué)和機械彈性,使其成為現代工程應用最重要的材料之一,但普通玻璃(二氧化硅)熔點(diǎn)為1100°C左右,這使得它在打印上一直具有挑戰性。 盡管,玻璃在塑型和制造上取得了很大進(jìn)展,但仍然依賴(lài)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。此外,過(guò)去常用的雙光子聚合(TPP)3D石英玻璃樹(shù)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構進(jìn)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(lái)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(jìn)行數天的燒結程序,才能消除打印過(guò)程中的黏合劑,最終讓玻璃顆粒融合成固體。 不過(guò),這種高溫會(huì )破壞半導體、太陽(yáng)能電池、紅外和光纖、激光器和光電探測器中的材料。因此,傳統的石英玻璃樹(shù)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(wèn)題會(huì )降低它的競爭能力。 這次,德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院團隊使用有機-無(wú)機聚合物樹(shù)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構。 他們在POSS-玻璃樹(shù)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(guò)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(lái)的玻璃,在分辨率、結構質(zhì)量和可覆蓋尺寸范圍方面優(yōu)于無(wú)機TPP打印材料,且大小可以調整為數十至數百納米之間,而成品型狀有晶格、土丘和同心圓環(huán)。 科學(xué)家發(fā)現,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(cháng)下實(shí)現納米光子結構,因此產(chǎn)品在光學(xué)顯微照射下顯示了反射藍紫色光的結構,以及通過(guò)更大的顆粒間距,調整反射出來(lái)的顏色,例如:紅、綠和黃等。 此外,這種打印出來(lái)的玻璃光子晶體的透射率,遠比單純用TPP技術(shù)在1100°C進(jìn)行燒結的熔融玻璃更好。除此之外,POSS打印出來(lái)的玻璃即使暴露于1000°C的高溫中也沒(méi)有顯著(zhù)改變材料的透射率。 除了透射率之外,他們還發(fā)現,這種方法打印出來(lái)的微柱結構,在機械彈性、強度和剛度上,也比普通TPP 打印出來(lái)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(zhù)名的大型平面磨床生產(chǎn)廠(chǎng)家之一,主要制造平面磨床、龍門(mén)銑床、電磁吸盤(pán)、壓力機系列產(chǎn)品。 為了證實(shí)材料表征,他們對打印的過(guò)程和成品進(jìn)行檢測。數據顯示,成品在650°C時(shí)重量有損失,這表示丙烯酸酯聚合物在完全熱解后被去除;對選定區域進(jìn)行觀(guān)察,看到成品有著(zhù)均勻的非晶微觀(guān)結構且沒(méi)有任何孔洞;還證實(shí)該材料僅由硅和氧組成。 另外,他們對POSS打印出來(lái)的玻璃加熱至1200°C,其仍能保持幾何完整性,且沒(méi)有測量到進(jìn)一步的收縮。這表示其結構非常穩定。 以上實(shí)驗成果表示,POSS樹(shù)脂打印工藝,實(shí)現過(guò)往只有在3D打印使用標準的有機樹(shù)脂才能做的聚合結構、質(zhì)量、復雜性和可覆蓋尺寸大小,同時(shí)能在不破壞半導體、太陽(yáng)能電池、激光器和光電探測器中的溫度中進(jìn)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(shù)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(xué)級玻璃結構,同時(shí)具有可見(jiàn)光納米光子學(xué)所需的分辨率?! ∷€表示,“這種打印生產(chǎn)的石英玻璃,除了具有優(yōu)異的光學(xué)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)的結構,即使在惡劣的化學(xué)或熱條件下也能保持穩定?!?br /> |
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