北京理工大學何汝杰：先驅體轉化SiOC陶瓷微點陣結構3D打印精度與力學性能

研究背景與意義：

先驅體轉化SiOC陶瓷材料 (PDC-SiOC) 具有優異的抗氧化性、熱穩定性和力學性能，有望作為航空航天耐高溫材料。近年來，具有人工設計周期性結構的點陣結構因其表現出優異的力學性能，已成為結構力學領域的研究熱點之一。然而，傳統機械加工的方法難以實現復雜結構PDC-SiOC點陣結構的高精度制造。

3D打印能夠實現復雜結構陶瓷材料的一體化成型，尤其在復雜陶瓷點陣結構制造領域表現出巨大優勢。其中，光固化3D打印技術具有最高的成型精度，適用于PDC-SiOC點陣結構的高精度制造。然而，一方面，目前關于PDC-SiOC陶瓷點陣結構3D打印的制造精度及力學性能仍存在較多限制，結構特征尺寸一般為幾百微米。隨著PDC-SiOC結構及器件向著小型化發展，特征尺寸通常要小于100 μm甚至更小，雖然目前已有雙光子光刻等高精度3D打印方法，但制備的材料尺寸過小、難以應用。另一方面，目前報道的PDC-SiOC點陣結構力學性能較弱，壓縮強度一般僅有0.06 ~ 10MPa。亟待開展高精度、高強度3D打印PDC-SiOC微點陣結構研究。

研究內容：

針對以上問題，北京理工大學何汝杰教授使用摩方精密面投影微立體 (PμSL) 光刻3D打印技術（nanoArch® S140pro，精度：10 μm）對PDC-SiOC微點陣結構的高精度制造工藝進行了研究。采用蘇丹III作為光吸收劑，對光敏前驅體進行改性并光固化3D打印。結果表明，蘇丹III對改性光敏樹脂的紫外光吸收、流變行為與光固化過程影響顯著。通過精準控制蘇丹III加入量，能夠有效調控PDC-SiOC微點陣的3D打印精度。隨著蘇丹III含量從0.02 wt.%增加到0.06 wt.%，3D打印精度由180%提高到12.5%，實現了PDC-SiOC微點陣的高精度制造。

此外，研究人員還通過XRD、拉曼、FTIR等表征手段對先驅體聚合物的陶瓷化過程進行了研究。熱解過程中先驅體聚合物表面的C-H、C=O、Si-O等有機官能團發生斷裂，并以小分子氣體的形式釋放出，造成聚合物熱解質量損失 (約73.5%) 及體積收縮 (約43%) 。熱解后所得PDC-SiOC微點陣結構未被破壞，且結構為無定型。

研究人員進一步嘗試對PDC-SiOC微點陣在更小的尺度進行高精度制造，成功制備出具有不同特征尺寸的微點陣結構。獲得的PDC-SiOC微點陣結構桿徑尺寸52 ~ 220 μm。此外，研究人員對PDC-SiOC微點陣結構在小尺度下的力學強度增強效應進行了研究。結果表明，隨著桿徑從220 μm減小到52 μm，微點陣結構的抗壓強度從8 MPa提高到31 MPa。Branicio等人的報道指出，脆性陶瓷在破壞過程中形成的微裂紋產生于位錯線性成核。尺寸效應可能是由于破壞過程中材料微區出現的“位錯饑餓"現象。與更大桿徑尺寸相比，位錯在小尺寸桁架移動和繁衍過程中更趨向于材料表面，從而使PDC-SiOC微點陣力學強度增加。

與現有報道相比，研究團隊制備的3D打印PDC-SiOC微點陣結構打印精度更高、力學性能更好，為高精度、高強度PDC-SiOC的研究工作提供了指導和啟發，并為PDC-SiOC微型器件的應用提供制造基礎。