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新加坡南洋理工大學(xué)基于增材制造的材料微加工的最新進(jìn)展

閱讀：552 發(fā)布時(shí)間：2024-3-29

增材制造（又稱3D打?。┦且环N先進(jìn)的材料加工技術(shù),，可用于產(chǎn)品的快速成型，以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的精密加工,，因此,，3D打印在功能器件，微模具以及超材料的制備等領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注,?；?D打印技術(shù)的材料微加工工藝取決于打印工具和所應(yīng)用材料，通過對(duì)打印物體的高精度控制,，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的微制造,。近年來，新加坡南洋理工大學(xué)材料系在此領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展,。他們自主研發(fā)制備了一系列可光固化打印樹脂,，通過利用前驅(qū)體策略以及二次固化處理，配合打印精度為微米級(jí)的摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù),，成功制備了高性能晶格超材料,，以及熱固塑料和陶瓷材料的微加工制備。固體玻璃碳是一種具有低序玻璃狀無定形結(jié)構(gòu)的碳材料,，具有特殊的電化學(xué),、熱、機(jī)械和電學(xué)特性,，在眾多領(lǐng)域如精密微型模具,、燒蝕防護(hù)罩,、電化學(xué)傳感器等方面都有廣泛的應(yīng)用。然而,，相比于其它材料,，例如塑料，金屬和陶瓷,，固體碳材料的加工制備具有更大的挑戰(zhàn)性,，因?yàn)樗麄兊母邿嶙韬透叽嘈裕腆w碳既不能通過熔融擠出成型也不能通過高溫?zé)Y(jié)進(jìn)行加工,。

近日,，在前期工作的基礎(chǔ)上，新加坡南洋理工大學(xué)胡曉教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了新型可光固化的鄰苯二甲腈（PN）單體并制備了可3D打印樹脂,，通過PμSL技術(shù)以及固化熱解處理,，成功實(shí)現(xiàn)了玻璃碳（Glassy Carbon）的精密微加工。在他們的工作中,，研究者首先合成了可光固化PN單體并溶解在溶液中配成可打印樹脂,，然后利用PμSL技術(shù)，并采用nanoArch® S140 3D打印設(shè)備（精度：10 µm）將得到的樹脂打印成型具有微米分辨率的3D結(jié)構(gòu),。之后,，經(jīng)過熱處理和熱裂解轉(zhuǎn)化成為具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的玻璃碳產(chǎn)物。由于所制備PN單體的高碳產(chǎn)率,，這種利用前驅(qū)體策略和3D打印技術(shù)得到的玻璃碳結(jié)構(gòu),，不僅實(shí)現(xiàn)了微米尺度上的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，同時(shí)在保持了玻璃碳產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)完整性,，保真性和低收縮性,。此方法為推進(jìn)玻璃碳在醫(yī)療工具、電化學(xué)器件,、精密微成型設(shè)備,，以及在能源和航空航天技術(shù)中的應(yīng)用提供了一個(gè)新的設(shè)計(jì)思路。相關(guān)研究成果以“Micro-fabrication of Glassy Carbon with Low Shrinkage and High Char Yield using High-performance Photocurable Phthalonitrile (PN) Resins" 為題發(fā)表在國(guó)際期刊《Additive Manufacturing》上,。

在該項(xiàng)工作中,，研究者所制備的新型PN樹脂表現(xiàn)出優(yōu)異的熱性能和機(jī)械性能，具有接近300℃玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）和150 MPa的抗彎強(qiáng)度,，以及快速光聚合的能力,，可用于3D打印技術(shù)的成型加工。研究者通過PμSL技術(shù),，制備出具有微米級(jí)分辨率的復(fù)雜結(jié)構(gòu),，通過將打印好的產(chǎn)物進(jìn)行二階段的固化以及漸進(jìn)式熱解處理，最終得到了具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的玻璃碳產(chǎn)品,。（如圖1）

圖 1.使用新型PN樹脂打印的3D結(jié)構(gòu)以及熱處理后的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換為玻璃碳的結(jié)構(gòu),。

進(jìn)一步研究表明，由于所制備的PN樹脂具有較高的碳產(chǎn)率（> 60wt%）,，最終通過熱解得到的3D打印玻璃碳結(jié)構(gòu)具有較低的各向同性收縮率（～29%）,，并且產(chǎn)品表面光滑，結(jié)構(gòu)完整,，內(nèi)部無微觀缺陷,。再經(jīng)過拉曼光譜，XRD,，三點(diǎn)壓縮等一系列的測(cè)試,，深入表征了玻璃碳產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)特征和機(jī)械性能（圖2）。

圖 2.(a) CAD 結(jié)構(gòu)模型,，使用 PN樹脂的 3D 打印,、熱處理和玻璃碳的蜂窩結(jié)構(gòu)。(b) (c) (d)所得結(jié)構(gòu)的表面和橫截面表面形態(tài),。在800 和 1000度熱解得到產(chǎn)物的(e) 拉曼光譜 (f) XRD 圖譜 (g)蜂窩結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變曲線,。

最后，研究者還探索了玻璃碳微加工產(chǎn)品在一些領(lǐng)域的潛在應(yīng)用（例如,，接骨螺釘,、微電極、微模具等 (圖3)）并比較了常見聚合物樹脂和本工作樹脂的碳產(chǎn)率,，熱性能以及收縮率,。

圖 3.(a) 使用 PN樹脂打印的具有潛在應(yīng)用的玻璃碳結(jié)構(gòu)；本工作所制備的PN樹脂 (b) 與常見聚合物樹脂的Tg 和碳產(chǎn)率的對(duì)比,；(c) 與其他材料打印的碳產(chǎn)品的收縮率和碳產(chǎn)率的對(duì)比,。

結(jié)論：本研究通過使用可光聚合PN樹脂和PμSL技術(shù)制造出來復(fù)雜的玻璃碳微結(jié)構(gòu)。所研發(fā)的PN樹脂具有出優(yōu)異的熱性能,，機(jī)械性能和高碳產(chǎn)率,；熱解后所得到的玻璃碳產(chǎn)品有低收縮率和優(yōu)異的結(jié)構(gòu)完整性。通過這種精密加工方法成功制造出來的玻璃碳接骨螺釘,、電極和微流體模具等功能性的產(chǎn)品,，展現(xiàn)了該樹脂以及這種制造方法在醫(yī)療、電化學(xué)和微制造領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用潛能,?？偠灾?strong style=";padding: 0px;outline: 0px;max-width: 100%;box-sizing: border-box !important;overflow-wrap: break-word !important">本工作不但報(bào)道了新型碳前驅(qū)體PN樹脂的制備與表征,，更成功實(shí)現(xiàn)了固體碳材料的精密微加工,，進(jìn)一步表明增材制造技術(shù)（例如PμSL技術(shù)）在材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工方面的優(yōu)勢(shì)和潛力。

新加坡南洋理工大學(xué)基于增材制造的材料微加工的最新進(jìn)展

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