北京理(li)工大(da)學(xue)何(he)汝(ru)傑(jie)：先(xian)驅體(ti)轉(zhuan)化(hua)SiOC陶(tao)瓷(ci)微(wei)點陣(zhen)結構3D打(da)印精(jing)度(du)與(yu)力(li)學(xue)性(xing)能

研(yan)究(jiu)背景與(yu)意(yi)義：

先(xian)驅體(ti)轉(zhuan)化(hua)SiOC陶(tao)瓷(ci)材料 (PDC-SiOC) 具有優異的(de)抗氧化(hua)性(xing)、熱(re)穩定(ding)性(xing)和力(li)學(xue)性(xing)能，有望作為航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)耐高溫(wen)材(cai)料。近(jin)年來(lai)，具有人(ren)工設(she)計(ji)周期(qi)性(xing)結構的(de)點陣(zhen)結構因其表現出(chu)優異的(de)力(li)學(xue)性(xing)能，已成(cheng)為(wei)結構力(li)學(xue)領(ling)域(yu)的(de)研究(jiu)熱(re)點之壹(yi)。然而，傳統(tong)機械加(jia)工的(de)方法難以(yi)實(shi)現復(fu)雜(za)結構PDC-SiOC點陣(zhen)結構的(de)高精(jing)度(du)制(zhi)造。

3D打印能夠實(shi)現復(fu)雜(za)結構陶(tao)瓷(ci)材料的(de)壹體化(hua)成(cheng)型(xing)，尤(you)其在復(fu)雜(za)陶(tao)瓷(ci)點陣(zhen)結構制(zhi)造領域表現出(chu)巨大(da)優勢。其中(zhong)，光(guang)固化(hua)3D打印技術(shu)具有最(zui)高的(de)成(cheng)型(xing)精(jing)度(du)，適(shi)用於(yu)PDC-SiOC點陣(zhen)結構的(de)高精(jing)度(du)制(zhi)造。然而，壹方(fang)面(mian)，目(mu)前(qian)關於(yu)PDC-SiOC陶(tao)瓷(ci)點陣(zhen)結構3D打(da)印的(de)制(zhi)造精(jing)度(du)及(ji)力(li)學(xue)性(xing)能仍存(cun)在較(jiao)多(duo)限(xian)制(zhi)，結構特(te)征(zheng)尺(chi)寸(cun)壹般(ban)為幾(ji)百微(wei)米。隨(sui)著(zhe)PDC-SiOC結構及(ji)器件(jian)向(xiang)著(zhe)小型(xing)化(hua)發展(zhan)，特征(zheng)尺(chi)寸(cun)通常要(yao)小(xiao)於100 μm甚(shen)至(zhi)更(geng)小，雖(sui)然目(mu)前(qian)已有雙(shuang)光(guang)子光(guang)刻等高精(jing)度(du)3D打(da)印方法，但(dan)制(zhi)備的(de)材料尺寸(cun)過(guo)小、難(nan)以應(ying)用。另(ling)壹(yi)方(fang)面(mian)，目(mu)前(qian)報(bao)道(dao)的(de)PDC-SiOC點陣(zhen)結構力(li)學(xue)性(xing)能較(jiao)弱(ruo)，壓(ya)縮(suo)強(qiang)度(du)壹(yi)般僅(jin)有0.06 ~ 10MPa。亟(ji)待(dai)開(kai)展高精(jing)度(du)、高強(qiang)度(du)3D打(da)印PDC-SiOC微(wei)點陣(zhen)結構研(yan)究(jiu)。

研究(jiu)內容(rong)：

針對以(yi)上(shang)問題(ti)，北京理(li)工大(da)學(xue)何(he)汝(ru)傑(jie)教(jiao)授使(shi)用摩方(fang)精(jing)密(mi)面(mian)投(tou)影微(wei)立體(ti) (PμSL) 光(guang)刻3D打印技術(shu)（nanoArch® S140pro，精(jing)度(du)：10 μm）對PDC-SiOC微(wei)點陣(zhen)結構的(de)高精(jing)度(du)制(zhi)造工藝(yi)進(jin)行了研究(jiu)。采(cai)用(yong)蘇丹(dan)III作為光(guang)吸收劑(ji)，對光(guang)敏(min)前驅(qu)體進(jin)行改(gai)性(xing)並光(guang)固化(hua)3D打印。結果表(biao)明，蘇(su)丹(dan)III對改(gai)性(xing)光(guang)敏(min)樹(shu)脂(zhi)的(de)紫(zi)外(wai)光(guang)吸收、流(liu)變行為與光(guang)固化(hua)過(guo)程(cheng)影響(xiang)顯著(zhu)。通過(guo)精(jing)準控(kong)制(zhi)蘇(su)丹(dan)III加(jia)入量(liang)，能夠有效(xiao)調(tiao)控(kong)PDC-SiOC微(wei)點陣(zhen)的(de)3D打印精(jing)度(du)。隨(sui)著(zhe)蘇丹(dan)III含量(liang)從(cong)0.02 wt.%增(zeng)加(jia)到0.06 wt.%，3D打(da)印精(jing)度(du)由(you)180%提高到(dao)12.5%，實(shi)現了PDC-SiOC微(wei)點陣(zhen)的(de)高精(jing)度(du)制(zhi)造。

此(ci)外(wai)，研究(jiu)人員(yuan)還通過(guo)XRD、拉曼(man)、FTIR等表征(zheng)手(shou)段(duan)對先(xian)驅體(ti)聚(ju)合(he)物的(de)陶(tao)瓷(ci)化(hua)過(guo)程(cheng)進(jin)行了研究(jiu)。熱(re)解過(guo)程(cheng)中(zhong)先(xian)驅體(ti)聚(ju)合(he)物表面(mian)的(de)C-H、C=O、Si-O等有機官(guan)能團(tuan)發(fa)生斷(duan)裂(lie)，並以小分子氣(qi)體的(de)形式釋放出，造成(cheng)聚(ju)合物熱(re)解質(zhi)量(liang)損(sun)失 (約(yue)73.5%) 及體積(ji)收縮(suo) (約43%) 。熱(re)解後(hou)所(suo)得PDC-SiOC微(wei)點陣(zhen)結構未(wei)被(bei)破(po)壞(huai)，且(qie)結構為(wei)無(wu)定(ding)型(xing)。

研(yan)究(jiu)人員(yuan)進(jin)壹步(bu)嘗試(shi)對PDC-SiOC微(wei)點陣(zhen)在更(geng)小的(de)尺度(du)進(jin)行高精(jing)度(du)制(zhi)造，成(cheng)功(gong)制(zhi)備出具有不同(tong)特(te)征(zheng)尺(chi)寸(cun)的(de)微(wei)點陣(zhen)結構。獲(huo)得的(de)PDC-SiOC微(wei)點陣(zhen)結構桿徑尺寸(cun)52 ~ 220 μm。此外(wai)，研究(jiu)人員(yuan)對PDC-SiOC微(wei)點陣(zhen)結構在小尺(chi)度(du)下(xia)的(de)力(li)學(xue)強(qiang)度(du)增(zeng)強(qiang)效(xiao)應(ying)進(jin)行了研究(jiu)。結果表(biao)明，隨(sui)著(zhe)桿徑從(cong)220 μm減小(xiao)到52 μm，微(wei)點陣(zhen)結構的(de)抗壓(ya)強(qiang)度(du)從(cong)8 MPa提高到(dao)31 MPa。Branicio等人的(de)報(bao)道(dao)指(zhi)出，脆(cui)性(xing)陶(tao)瓷(ci)在破(po)壞(huai)過(guo)程(cheng)中(zhong)形(xing)成(cheng)的(de)微(wei)裂紋(wen)產生於位(wei)錯(cuo)線(xian)性(xing)成(cheng)核。尺(chi)寸(cun)效應(ying)可能是由(you)於破(po)壞(huai)過(guo)程(cheng)中(zhong)材(cai)料微(wei)區出(chu)現的(de)“位錯(cuo)饑(ji)餓"現象(xiang)。與更(geng)大桿徑尺寸(cun)相比(bi)，位(wei)錯(cuo)在小尺(chi)寸(cun)桁(heng)架移(yi)動和繁(fan)衍過(guo)程(cheng)中(zhong)更(geng)趨(qu)向(xiang)於材(cai)料表面(mian)，從(cong)而使(shi)PDC-SiOC微(wei)點陣(zhen)力(li)學(xue)強(qiang)度(du)增(zeng)加(jia)。

與(yu)現有報(bao)道(dao)相(xiang)比(bi)，研(yan)究(jiu)團(tuan)隊(dui)制(zhi)備的(de)3D打印PDC-SiOC微(wei)點陣(zhen)結構打(da)印精(jing)度(du)更(geng)高、力(li)學(xue)性(xing)能更(geng)好，為(wei)高精(jing)度(du)、高強(qiang)度(du)PDC-SiOC的(de)研究(jiu)工作提供(gong)了指(zhi)導和(he)啟發，並(bing)為PDC-SiOC微(wei)型器(qi)件的(de)應(ying)用提(ti)供(gong)制(zhi)造基礎(chu)。