告(gao)別傳(chuan)統(tong)制造(zao)！看(kan)多(duo)材料(liao)4D打(da)印(yin)如(ru)何(he)實(shi)現(xian)高精度(du)陶(tao)瓷超構(gou)透鏡(jing)制造(zao)

近(jin)日(ri)，南(nan)方(fang)科技大學(xue)的(de)葛锜/王榮團隊在國(guo)際(ji)期刊《International Journal of Extreme Manufacturing》上發表了(le)最新研(yan)究(jiu)，論文題為(wei)“Digital light processing 3D printing of ceramics for W-band gradient refractive index metalens"。本(ben)研(yan)究(jiu)提出(chu)了(le)壹種(zhong)基(ji)於(yu)多(duo)材料(liao)4D打(da)印(yin)技術制備(bei)陶(tao)瓷梯(ti)度折射(she)率超構(gou)透鏡(jing)的(de)方(fang)法(fa)，通過優(you)化陶(tao)瓷(ci)漿(jiang)料(liao)配(pei)方(fang)並引(yin)入(ru)尺寸補(bu)償策(ce)略(lve)，顯(xian)著(zhu)提升(sheng)了打(da)印(yin)精(jing)度。研(yan)究(jiu)人員(yuan)結合幾(ji)何(he)光學(xue)與S參(can)數(shu)反(fan)演法(fa)，設(she)計(ji)了(le)包(bao)含(han)Y形和圓孔兩種(zhong)亞波(bo)長(chang)單元(yuan)結構(gou)的(de)超構(gou)透鏡(jing)，最小特征(zheng)尺寸為(wei)160 μm。最終(zhong)制備(bei)出(chu)的(de)陶瓷(ci)超構(gou)透鏡(jing)在W波段(duan)表(biao)現(xian)出(chu)優(you)異(yi)的(de)輻射(she)性能：最大增(zeng)益(yi)提升(sheng)達18.4 dBi，波束(shu)偏(pian)轉(zhuan)角度為(wei)±30°，相(xiang)對帶寬達37.84%，展(zhan)現(xian)出(chu)在(zai)高(gao)頻通信中(zhong)的(de)潛(qian)在(zai)應用價值。

圖1. 陶瓷(ci)GRIN超構(gou)透鏡(jing)的(de)制備(bei)流程(cheng)示意圖。

圖2. 漿(jiang)料(liao)的(de)流變(bian)與(yu)光固(gu)化性能。

本(ben)次研(yan)究(jiu)系統(tong)評(ping)估(gu)了(le)打(da)印(yin)過程中的(de)過度固(gu)化效(xiao)應。圖3(a)和(b)顯(xian)示，隨著曝光能量增(zeng)加(jia)，水(shui)平方(fang)向的(de)線寬偏(pian)差(cha)增(zeng)大，而(er)添(tian)加(jia)光(guang)吸(xi)收劑可顯(xian)著(zhu)減(jian)小此(ci)偏差(cha)。圖3(c)和(d)則表明，光(guang)吸(xi)收劑同樣(yang)能有效(xiao)控(kong)制垂直方(fang)向的(de)固(gu)化深(shen)度(du)，避(bi)免(mian)過度穿透。

圖3. 陶瓷(ci)漿(jiang)料(liao)的(de)固(gu)化與(yu)過度固(gu)化效(xiao)應評(ping)估(gu)。

為(wei)校(xiao)正打(da)印(yin)過程中因(yin)過度固(gu)化引(yin)起的(de)尺寸偏(pian)差，研(yan)究(jiu)團隊提出(chu)了(le)針(zhen)對圓孔（如(ru)圖4所(suo)示）和薄壁(bi)結構(gou)（如(ru)圖5所(suo)示）的(de)尺寸補(bu)償方(fang)法(fa)。通過預先(xian)調(tiao)整設(she)計(ji)尺寸，使(shi)得打(da)印(yin)後的(de)實(shi)際(ji)尺寸更(geng)接近(jin)目標值，最終(zhong)將尺寸偏(pian)差控(kong)制在(zai)30 μm以內(nei)。

圖4. 圓形孔的(de)尺寸補(bu)償設(she)計(ji)與(yu)實(shi)測結果(guo)。

圖5. 薄壁(bi)結構(gou)的(de)尺寸補(bu)償設(she)計(ji)與(yu)實(shi)測結果(guo)。

如(ru)圖6示，打(da)印(yin)後的(de)生(sheng)坯(pi)經(jing)過在氬氣氣(qi)氛(fen)中(zhong)分(fen)段(duan)升(sheng)溫脫(tuo)脂，以及在空氣(qi)中1600°C燒結，最(zui)終(zhong)獲(huo)得致密(mi)的(de)Al₂O₃陶瓷(ci)件(jian)。XRD分(fen)析顯(xian)示燒結前(qian)後均(jun)為(wei)α-Al₂O₃相(xiang)，相(xiang)對密(mi)度達95.5%，有利於(yu)降(jiang)低(di)介(jie)電損耗。

圖6. 熱重(zhong)分(fen)析與(yu)燒結工(gong)藝(yi)曲線。

基(ji)於(yu)離散化(hua)折射(she)率分(fen)布，設(she)計(ji)了(le)由(you)20個同心環組成的(de)平面超構(gou)透鏡(jing)（如(ru)圖7所(suo)示）。經(jing)過微觀(guan)結構(gou)表(biao)征(zheng)，該平面超構(gou)透鏡(jing)從打(da)印(yin)的(de)生(sheng)坯(pi)（圖8a）、脫(tuo)脂後（圖8b）到燒(shao)結後的(de)最終(zhong)白色(se)陶瓷件(jian)（圖8c）。SEM圖像(xiang)清晰顯(xian)示了燒結後復(fu)現良(liang)好的(de)圓孔（圖8g）和Y形（圖8h）單元(yuan)結構(gou)。圖8(i)的(de)尺寸對(dui)比(bi)表(biao)明，經(jing)補(bu)償(chang)後所(suo)有(you)單(dan)元(yuan)的(de)實(shi)際(ji)尺寸與(yu)設(she)計(ji)值偏差(cha)均(jun)在(zai)30 μm以內(nei)。

圖7. 超構(gou)透鏡(jing)設(she)計(ji)原(yuan)理(li)。

圖8. 超構(gou)透鏡(jing)的(de)制備(bei)過程與微觀(guan)結構(gou)表(biao)征(zheng)。

如(ru)圖9的(de)仿真(zhen)結果(guo)表明，該(gai)透鏡(jing)在W波段(duan)能顯(xian)著(zhu)提升(sheng)天(tian)線增(zeng)益(yi)並(bing)收窄波(bo)束(shu)。微波暗室實(shi)測結果(guo)（如(ru)圖10所(suo)示）驗證了(le)其優(you)異(yi)的(de)性能，包(bao)括(kuo)高(gao)達18.4 dBi的(de)增(zeng)益(yi)提升(sheng)、±30°的(de)波束(shu)偏(pian)轉(zhuan)能力(li)以及低於(yu)6°的(de)半(ban)功率波束(shu)寬(kuan)度。

圖9. 超構(gou)透鏡(jing)的(de)仿真(zhen)輻射(she)場分(fen)布。

圖10. 輻射(she)性能測試結果(guo)與文獻對(dui)比(bi)。