南洋理工大學(xué)：高精度3D打印聚合物衍生高強(qiáng)度陶瓷，前驅(qū)體分子結(jié)構(gòu)的影響

來(lái)源：摩方高精密


增材制造又稱3D打印是一項(xiàng)新興技術(shù)，其為制造高度復(fù)雜的三維幾何形狀產(chǎn)品提供了靈活和快速的平臺(tái)。3D打印在諸如航空航天、能源、機(jī)械超材料和生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域的應(yīng)用有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。立體光刻技術(shù)是一種最早和最廣泛使用的增材制造技術(shù)，微立體光刻技術(shù)（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(jí)的高分辨率制造復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。一方面，由于3D打印產(chǎn)品潛在的廣泛應(yīng)用，開發(fā)適用于高分辨率立體光刻技術(shù)的新型光敏樹脂和預(yù)聚物有巨大的需求。另一方面，陶瓷材料廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，但傳統(tǒng)的加工陶瓷的方法諸如鑄造和壓力成型等只限于相對(duì)簡(jiǎn)單的幾何形狀；聚合物陶瓷前驅(qū)體結(jié)合增材制造技術(shù)方法提供了有效的途徑制備復(fù)雜形狀的陶瓷產(chǎn)品，打印的陶瓷前驅(qū)體經(jīng)燒結(jié)熱處理可轉(zhuǎn)換成復(fù)雜立體結(jié)構(gòu)的陶瓷制品。

近期，新加坡南洋理工大學(xué)Prof. Hu Xiao團(tuán)隊(duì)提出了一種簡(jiǎn)單而有效的方法即通過(guò)改變前驅(qū)體分子結(jié)構(gòu)制備可3D打印的陶瓷前驅(qū)體聚合物的方法。該團(tuán)隊(duì)利用新型微立體光刻打印機(jī)(nanoArch S140，摩方精密BMF)實(shí)現(xiàn)了基于硫醇-烯點(diǎn)擊化學(xué)的SiOC前驅(qū)體的高精度3D打�。▓D一）。打印的樣品在1000℃熱解后轉(zhuǎn)化的SiOC陶瓷具有高保真度。由四硫醇（4T）配方轉(zhuǎn)化的SiOC陶瓷樣品展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度，超過(guò)了基于三硫醇（3T）的和目前文獻(xiàn)報(bào)道的其它SiOC陶瓷前驅(qū)體聚合物。

圖 1.用面投影微立體光刻技術(shù)（PμSL）打印陶瓷前驅(qū)體聚合物示意圖

眾所周知，材料的機(jī)械性能依賴于其分子結(jié)構(gòu)和交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。均勻和高度交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的材料可以表現(xiàn)出更好的機(jī)械性能�；�合物4T擁有四個(gè)硫醇基團(tuán), 因此可在硫醇-烯點(diǎn)擊聚合中形成更密集和更均勻的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，其產(chǎn)生的均勻和高度交聯(lián)的結(jié)構(gòu)有可能使陶瓷前驅(qū)體聚合物熱解后形成規(guī)則和更密集的SiOC陶瓷，從而增強(qiáng)機(jī)械性能。圖2中所示結(jié)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(qiáng)度為337 MPa，比3T衍生樣品的抗壓強(qiáng)度高出兩倍多。4T衍生的陶瓷樣品的抗壓強(qiáng)度也高于文獻(xiàn)報(bào)道的其它陶瓷前驅(qū)體聚合物衍生的SiOC樣品。

圖 2.PμSL打印制備樣品的力學(xué)性能

相較于線性硫醇化合物強(qiáng)烈的令人厭惡的氣味，本工作所采用的多支鏈硫醇?xì)馕兜�。而且得到的光敏陶瓷前�?qū)體在BMF PµSL打印機(jī)上可實(shí)現(xiàn)高精度3D打印（圖3）。

圖 3. 摩方精密的S140所打印的陶瓷前驅(qū)體和轉(zhuǎn)化的陶瓷樣品

本工作提出的方法操作簡(jiǎn)單，通過(guò)合理選擇單體硫醇-烯前驅(qū)體配方即可達(dá)到優(yōu)化最終產(chǎn)物性能的目的，這不僅適用于高力學(xué)強(qiáng)度SiOC陶瓷的3D打印，也可以適用于其它高性能聚合物衍生的陶瓷的制備。這個(gè)工作以“High Precision 3D Printing of High Strength Polymer Derived Ceramics:  Impact of Precursor’s Molecular Structure”為題發(fā)表在《Advanced Engineering Materials》期刊上。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adem.202200269