3D打印納米級透明玻璃的低溫無燒結工藝

供稿人：王子涵、連芩
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室
來源：中國機械工程學會增材制造技術（3D打�。┓謺�

硅玻璃的光學透明度和機械性能十分優(yōu)異，在微光學、微機電系統(tǒng)(MEM)、微流控和生物醫(yī)學等領域應用廣泛。近日，有相關文獻報道了硅玻璃的雙光子聚合3d打印技術（TPP），該方法仍依賴于顆粒負載的犧牲性聚合物粘合劑，為了去除粘結劑，需要在1100℃到1300℃的真空或惰性氣體中進行燒結。該溫度高于許多重要的工程半導體的熔點，因此適用性十分有限。

近期，加里福尼亞州立大學的J.Bauer團隊提出了一種無需燒結，低溫實現(xiàn)3D打印硅玻璃的技術，該技術主要采用多面體低聚硅氧烷(POSS)樹脂進行自由形態(tài)熔融二氧化硅納米結構的無燒結、雙光子聚合。與犧牲性粘結劑相比，POSS樹脂本身構成了一個連續(xù)的硅氧分子網(wǎng)絡，僅在650℃下就能形成透明的熔融二氧化硅，這一溫度比將離散的二氧化硅顆粒熔融成連續(xù)體的燒結溫度低500℃。

研究人員使用商業(yè)TPP打印系統(tǒng)進行打印，其中，樹脂被滴在熔融石英或硅基材上，物鏡將超快脈沖激光束聚焦到樹脂中。在聚焦范圍內，光引發(fā)劑分子同時吸收兩個光子，導致其同質裂解并形成兩個自由基。這引發(fā)了單體丙烯酸酯基團的交聯(lián)，將樹脂轉換為固體網(wǎng)絡。通過振鏡對聚焦激光束的面內掃描和壓電樣品臺的三軸運動打印出三維結構。打印完成后，用異丙醇處理剩余的未固化樹脂。風干后，在空氣中進行650℃的熱處理，去除有機化合物。

圖1 熔融二氧化硅納米結構的制備

綜合熱重分析（TGA）、差示掃描量熱法（DSC）和質譜分析以及顯微拉曼光譜法和透射電子顯微鏡（TEM）的結果，證實了在空氣中僅用650℃的適度熱處理，就能將POSS樹脂轉化為純熔融石英。在415℃、480℃和595℃有三個質量衍生峰，與熱流數(shù)據(jù)中的三個放熱峰相關。這些峰分別對應三個連續(xù)的反應階段，這是高交聯(lián)丙烯酸聚合物熱氧化降解的特征。在650℃以上，TGA和DSC沒有任何明顯的變化，表明所有有機成分完全揮發(fā)，留下了無機物。此外，研究人員還利用該材料制造出了具有優(yōu)異光學性能的石英玻璃微光學元件，用于成像和光束整形的透鏡系統(tǒng)。

文獻中提出的基于POSS樹脂的TPP打印技術有助于重新定義石英玻璃的制造模式，并突破了主導該領域的基于顆粒熔融方法的基本限制。

圖2 熱處理分析

參考文獻：
J.Bauer ,C.Crook ,T.Baldacchini . A sinterless, low-temperature route to 3D print nanoscale optical-grade glass.[J]. Science,2023,380(6648).