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標題: 無需燒結的3D玻璃打印工藝問世 [打印本頁]

作者: jiunn36 時間: 2023-8-5 08:21 AM 標題: 無需燒結的3D玻璃打印工藝問世

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　　過往玻璃的3D打印需要依靠高溫燒結﹐但德國一所大學新開發的3D玻璃打印技術﹐可以在無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儀器上。這項創舉將為光學﹑光子學和半導體技術領域開闢許多新的應用。
　　德國卡爾斯魯厄理工學院(Karlsruher Institut fur Technologie﹐KIT)開發的3D玻璃打印工藝為「多面體低聚倍半矽氧烷(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。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代工程應用最重要的材料之一﹐但普通玻璃(二氧化矽)熔點為1100°C左右﹐這使得它在打印上一直具有挑戰性。
　　儘管﹐玻璃在塑型和製造上取得了很大進展﹐但仍然依賴既定的工業流程與古法吹製技術﹐才能讓玻璃熔化或顆粒燒結。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雖然具有相當大的潛力﹐但很大程度被限制在平面結構進行打印﹐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的高溫度環境中進行數天的燒結程序﹐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﹐只能依靠印後組裝﹐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複雜的透明熔融石英玻璃納米結構。
　　他們在POSS-玻璃樹脂中使用一款有機的黏合劑「丙烯酸酯」與二氧化矽混合的3D打印材料﹐並透過TPP工法將玻璃打印在平台上﹐隨後將半成品放置在650°C環境(含有空氣)中去除丙烯酸酯﹐最終獲得完整熔融狀態的玻璃。用這種新的方式打印出來的玻璃﹐在分辨率﹑結構質量和可覆蓋尺寸範圍方面優於無機TPP打印材料﹐且大小可以調整為數十至數百納米之間﹐而成品形狀有晶格﹑土丘和同心圓環。
　　科學家發現﹐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)範圍的波長下實現納米光子結構﹐因此產品在光學顯微照射下顯示了反射藍紫色光的結構﹐以及通過更大的顆粒間距﹐調整反射出來的顏色﹐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技術在1100°C進行燒結的熔融玻璃更好。除此之外﹐POSS打印出來的玻璃即使暴露於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﹐他們還發現﹐這種方法打印出來的微柱結構﹐在機械彈性﹑強度和剛度上﹐也比普通TPP打印出來的玻璃強度高出10倍左右﹐還能增加高微透鏡的精度。為了證實材料表徵﹐他們對打印的過程和成品進行檢測。數據顯示﹐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後被去除﹔對選定區域進行觀察﹐看到成品有著均勻的非晶微觀結構且沒有任何孔洞﹔還證實該材料僅由矽和氧組成。
　　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。這表示其結構非常穩定。
　　以上實驗成果表示﹐POSS樹脂打印工藝﹐實現過往只有在3D打印使用標準的有機樹脂才能做的聚合結構﹑質量﹑複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納米技術研究所研究人員表示﹐「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構﹐同時具有可見光納米光子學所需的分辨率。」。
　　研究人員還表示﹐「這種打印生產的石英玻璃﹐除了具有優異的光學品質外﹐還具有優異的機械性能﹐且易於加工。另外﹐我們的工藝生產的結構﹐即使在惡劣的化學或熱條件下也能保持穩定。」。

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