磨削技術(shù)
德國(guó)新技術(shù)：無(wú)需燒結(jié)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?zé)Y(jié)，但德國(guó)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(jié)且低溫的情況下，將納米級(jí)的玻璃打印在芯片或其他光學(xué)儀器上。這項(xiàng)創(chuàng)舉將為光學(xué)、光子學(xué)和半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)辟許多新的應(yīng)用。 德國(guó)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(xiàng)工藝?yán)糜袡C(jī)物和無(wú)機(jī)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?zé)Y(jié)。該大學(xué)將這項(xiàng)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(jī)械彈性，使其成為現(xiàn)代工程應(yīng)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(zhàn)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(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(dāng)大的潛力，但很大程度被限制在平面結(jié)構(gòu)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(shù)天的燒結(jié)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(dǎo)體、太陽(yáng)能電池、紅外和光纖、激光器和光電探測(cè)器中的材料。因此，傳統(tǒng)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(jìng)爭(zhēng)能力。 這次，德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)使用有機(jī)-無(wú)機(jī)聚合物樹(shù)脂作為原料，可以在低溫情況下打印復(fù)雜的透明熔融石英玻璃納米結(jié)構(gòu)。 他們?cè)赑OSS-玻璃樹(shù)脂中使用一款有機(jī)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(tái)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(jié)構(gòu)質(zhì)量和可覆蓋尺寸范圍方面優(yōu)于無(wú)機(jī)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(xué)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(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)納米光子結(jié)構(gòu)，因此產(chǎn)品在光學(xué)顯微照射下顯示了反射藍(lán)紫色光的結(jié)構(gòu)，以及通過(guò)更大的顆粒間距，調(diào)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(yuǎn)比單純用TPP技術(shù)在1100°C進(jìn)行燒結(jié)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(lái)的微柱結(jié)構(gòu)，在機(jī)械彈性、強(qiáng)度和剛度上，也比普通TPP 打印出來(lái)的玻璃強(qiáng)度高出10倍左右，還能增加高微透鏡的精度。南通第二機(jī)床有限公司是中國(guó)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(jī)系列產(chǎn)品。 為了證實(shí)材料表征，他們對(duì)打印的過(guò)程和成品進(jìn)行檢測(cè)。數(shù)據(jù)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(duì)選定區(qū)域進(jìn)行觀察，看到成品有著均勻的非晶微觀結(jié)構(gòu)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(duì)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(cè)量到進(jìn)一步的收縮。這表示其結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。 以上實(shí)驗(yàn)成果表示，POSS樹(shù)脂打印工藝，實(shí)現(xiàn)過(guò)往只有在3D打印使用標(biāo)準(zhǔn)的有機(jī)樹(shù)脂才能做的聚合結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、復(fù)雜性和可覆蓋尺寸大小，同時(shí)能在不破壞半導(dǎo)體、太陽(yáng)能電池、激光器和光電探測(cè)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(duì)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(dǎo)體芯片上以自由形式，打印出堅(jiān)固的光學(xué)級(jí)玻璃結(jié)構(gòu)，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(jī)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(xué)或熱條件下也能保持穩(wěn)定?！?br /> |
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