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高精度3D列印聚合物衍生高強度陶瓷◕☁•:前驅體分子結構的影響

釋出時間◕☁•:2022-07-19      點選次數◕☁•:72

 

增材製造又稱3D列印是一項新興技術╃·│↟◕,其為製造高度複雜的三維幾何形狀產品提供了靈活和快速的平臺▩│·。3D列印在諸如航空航天₪☁╃、能源₪☁╃、機械超材料和生物醫學工程等領域的應用有*的優勢▩│·。立體光刻技術是一種最早和廣泛使用的增材製造技術╃·│↟◕,微立體光刻技術(PµSL)用紫外線光束在光敏樹脂表面有選擇地固化╃·│↟◕,投射出的圖案能夠以微米級的高解析度製造複雜的三維結構▩│·。一方面╃·│↟◕,由於3D列印產品潛在的廣泛應用╃·│↟◕,開發適用於高解析度立體光刻技術的新型光敏樹脂和預聚物有巨大的需求▩│·。另一方面╃·│↟◕,陶瓷材料廣泛應用於各個領域╃·│↟◕,但傳統的加工陶瓷的方法諸如鑄造和壓力成型等只限於相對簡單的幾何形狀;聚合物陶瓷前驅體結合增材製造技術方法提供了有效的途徑製備複雜形狀的陶瓷產品╃·│↟◕,列印的陶瓷前驅體經燒結熱處理可轉換成複雜立體結構的陶瓷製品▩│·。


近期╃·│↟◕,新加坡南洋理工大學Prof. Hu Xiao團隊提出了一種簡單而有效的方法即透過改變前驅體分子結構製備可3D列印的陶瓷前驅體聚合物的方法▩│·。該團隊利用新型微立體光刻印表機(nanoArch S140╃·│↟◕,摩方精密BMF)實現了基於硫醇-烯點選化學的SiOC前驅體的高精度3D列印(圖一)▩│·。列印的樣品在1000℃熱解後轉化的SiOC陶瓷具有高保真度▩│·。由四硫醇(4T)配方轉化的SiOC陶瓷樣品展現出優異的機械強度╃·│↟◕,超過了基於三硫醇(3T)的和目前文獻報道的其它SiOC陶瓷前驅體聚合物▩│·。



圖 1.用面投影微立體光刻技術(PμSL)列印陶瓷前驅體聚合物示意圖

 

眾.所.周.知╃·│↟◕,材料的機械效能依賴於其分子結構和交聯網路▩│·。均勻和高度交聯網路的材料可以表現出更好的機械效能▩│·。化合物4T擁有四個硫醇基團, 因此可在硫醇-烯點選聚合中形成更密集和更均勻的交聯結構╃·│↟◕,其產生的均勻和高度交聯的結構有可能使陶瓷前驅體聚合物熱解後形成規則和更密集的SiOC陶瓷╃·│↟◕,從而增強機械效能▩│·。圖2中所示結果符合這一推斷╃·│↟◕,在相同的熱解溫度下4T衍生樣品的抗壓強度為337 MPa╃·│↟◕,比3T衍生樣品的抗壓強度高出兩倍多▩│·。4T衍生的陶瓷樣品的抗壓強度也高於文獻報道的其它陶瓷前驅體聚合物衍生的SiOC樣品▩│·。


圖 2.PμSL打印製備樣品的力學效能

 


相較於線性硫醇化合物強烈的令人厭惡的氣味╃·│↟◕,本工作所採用的多支鏈硫醇氣味低▩│·。而且得到的光敏陶瓷前驅體在BMF PµSL印表機上可實現高精度3D列印(圖3)▩│·。


圖 3. 摩方精密的S140所列印的陶瓷前驅體和轉化的陶瓷樣品

 

本工作提出的方法操作簡單╃·│↟◕,透過合理選擇單體硫醇-烯前驅體配方即可達到最佳化最終產物效能的目的╃·│↟◕,這不僅適用於高力學強度SiOC陶瓷的3D列印╃·│↟◕,也可以適用於其它高效能聚合物衍生的陶瓷的製備▩│·。這個工作以“High Precision 3D Printing of High Strength Polymer Derived Ceramics:  Impact of Precursor’s Molecular Structure”為題發表在《Advanced Engineering Materials》期刊上▩│·。

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