透射率接近理論極限的透明尖晶石的3D打印

供稿人：王成玉 魯中良
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

鎂鋁尖晶石透明度高、力學性能好、熔點高、熱膨脹系數(shù)小和抗化學腐蝕能力強，在光學領域應用廣泛。傳統(tǒng)模壓、注射成型或注漿成型工藝只能制造出形狀簡單的尖晶石，對于特殊用途的復雜形狀尖晶石，南洋理工大學的Haomin Wang[1]等人利用SLA技術成形素坯、熱等靜壓（HIP）后處理制備出高透明度、高精度的鎂鋁尖晶石。

圖1 不同含量分散劑漿料對尖晶石透明度的影響

為保證尖晶石透明度需制備均質(zhì)素坯，使用平均粒徑在50納米的超細、超純納米顆粒配制打印漿料，目的是降低紫外光的散射和提高打印精度，但是漿料的狀態(tài)取決于分散劑的含量，分散劑不足會導致顆粒團聚，引起沉淀，在素坯中引起團聚和孔隙，燒結(jié)后出現(xiàn)白點（如圖1A-C），而分散劑充足會抑制顆粒團聚，顆粒分布均勻，緊密堆積，顆粒之間的孔隙在納米尺度，燒結(jié)后的尖晶石呈現(xiàn)晶體透明性（如圖1D-F）。

由于尖晶石燒結(jié)溫度區(qū)域很小，預燒結(jié)和熱等靜壓工藝對透明度起到最重要的作用。1600℃預燒結(jié)的尖晶石中大部分晶體間開氣孔在1650℃燒結(jié)時消除（如圖2A-B），其相對密度達到95%。當預燒結(jié)溫度增加50℃時（如1700℃），發(fā)生異常晶粒長大，形成閉氣孔，高溫高壓很難去除（如圖2C）。熱等靜壓工藝中壓力設定在180MPa，溫度由1700℃升至1800℃，納米尖晶石顆粒的燒結(jié)活性非常高，獲得致密尖晶石，其逐漸有不透明變?yōu)橥该鳎ㄈ鐖D2D-F）。

圖2 不同預燒結(jié)溫度和熱等靜壓溫度中氣孔的變化情況

3D打印尖晶石在波長1550nm的光下透射率約為84.8%，達到理論極限透射率（約為87%）的97%，打印精度在100-200μm，顯微硬度達到13.5GPa，在800-1100℃下仍可以保持透明，具有良好的光學成像能力，在特殊用途的光學領域前景廣泛。

參考文獻：
Wang HM ,Liu LY , Ye PC , Huang ZY , Ng AYR , Du ZH , Dong ZL, Tang DY , Gan CL. 3D Printing of Transparent Spinel Ceramics with Transmittance Approaching the Theoretical Limit[J]. Advanced Materials, 2021.