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《AFM》:光固化3D打印液態(tài)金屬-陶瓷寬頻吸波超材料

3D打印前沿
2023
09/19
14:40
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來源:高分子科技

液態(tài)金屬具有相對較低的熔點,優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱能力,因此在電學(xué)器件應(yīng)用中具有巨大潛力。液態(tài)金屬的低粘度特性也使得其能夠適用于各種加工手段,例如絲網(wǎng)印刷、倒模、噴墨等等。在制備三維結(jié)構(gòu)材料方面,液態(tài)金屬被報道能夠兼容多種3D打印技術(shù)例如直接書寫3D打印技術(shù)、光固化3D打印技術(shù)、激光輔助3D打印技術(shù)等。陶瓷材料具有優(yōu)異的力學(xué)、抗氧化、電學(xué)性能,被廣泛應(yīng)用于高溫、腐蝕,電子、光學(xué)領(lǐng)域。然而液態(tài)金屬材料與陶瓷材料的兼容性一直沒有得到驗證,如何將低粘度的液態(tài)金屬材料與高硬度的陶瓷材料復(fù)合,也是一直以來未解決的一項難題。近日,西北工業(yè)大學(xué)孔杰與西安科技大學(xué)楊嘉怡合作報道了一種新型可光固化3D打印的液態(tài)金屬陶瓷超材料,該材料具備豐富的介電損耗機制、改善的力學(xué)性能以及優(yōu)異的耐高溫性能,通過超結(jié)構(gòu)的設(shè)計和3D打印制備,可實現(xiàn)C-X波段全頻覆蓋的優(yōu)異電磁波吸收能力。

在該工作中,作者利用聚合物轉(zhuǎn)化陶瓷路線成功實現(xiàn)了液態(tài)金屬與SiBOC陶瓷材料的復(fù)合。首先制備了一種聚硼硅氧烷陶瓷前驅(qū)體聚合物,利用液態(tài)金屬與液態(tài)硅基聚合物的完美兼容性,將液態(tài)金屬納米顆粒均勻的分散在陶瓷前驅(qū)體內(nèi),進而利用光固化3D打印實現(xiàn)樹脂的固化成型,得到液態(tài)金屬陶瓷復(fù)材素胚,最后在高溫環(huán)境下裂解,即可得到液態(tài)金屬陶瓷復(fù)合材料(圖1)。

圖1 液態(tài)金屬陶瓷復(fù)合材料的制備路線圖及3D打印前驅(qū)體實物

研究發(fā)現(xiàn),由于液態(tài)金屬具有獨特的低揮發(fā)性,以及鎵、銦元素與陶瓷前驅(qū)體中Si、B、C元素具有化學(xué)惰性,在經(jīng)過800-1200攝氏度裂解后,液態(tài)金屬納米顆粒非但不會以氣態(tài)形式逃離陶瓷體系,也不會與前驅(qū)體中的其他元素反應(yīng)化合。同時,由于液態(tài)金屬表面氧化層具有IIIA組元素典型的鈍化屬性,因此陶瓷前驅(qū)體中的氧元素也未能對液態(tài)金屬內(nèi)部進行大量消耗。最終,液態(tài)金屬依舊以液態(tài)形式,均勻地分散于陶瓷體系內(nèi)部,形成獨特的液態(tài)金屬陶瓷復(fù)合材料(圖2)。

圖2 液態(tài)金屬陶瓷復(fù)合材料微相結(jié)構(gòu)示意圖及TEM分析表征


由于液態(tài)金屬在陶瓷內(nèi)部以液態(tài)金屬/氧化層/陶瓷核殼狀態(tài)分布,因此在相同的裂解條件下,引入液態(tài)金屬的陶瓷材料將展現(xiàn)出更強的電磁波損耗性能。此外,得益于SiBOC陶瓷基地本身優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性,以及液態(tài)金屬氧化層(Ga2O3)的高溫半導(dǎo)體特性,所制備的液態(tài)金屬陶瓷復(fù)材基體能夠在900攝氏度下實現(xiàn)X波段74%頻段的電磁波吸收覆蓋。與此同時,液態(tài)金屬的引入還能有效阻止裂解過程中應(yīng)力裂紋的擴展,從而提升整體的力學(xué)強度(圖3)。
圖3 液態(tài)金屬陶瓷復(fù)材的介電特性及電磁波吸收效果表征


進一步,作者利用液態(tài)金屬陶瓷復(fù)材與DLP-3D打印技術(shù)的兼容性,設(shè)計并制備了一種新型的電磁超結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了C-X波段的寬頻電磁波吸收效果。(圖4)該工作證明了液態(tài)金屬在聚合物轉(zhuǎn)化陶瓷復(fù)材的3D打印制備中具備優(yōu)異的兼容性,并且液態(tài)金屬的引入能夠提供改善的電學(xué)和力學(xué)性能,為新型功能化先進陶瓷的研發(fā)提供有益思路。
圖4 液態(tài)金屬陶瓷復(fù)材吸波超材料的設(shè)計制備及表征

論文為 “3D Printing of Liquid-metal-in-ceramic Metamaterials for High-efficient Microwave Absorption” 以題在Adv. Funct. Mater. (2023, 33, 2307499)在線發(fā)表,西北工業(yè)大學(xué)博士后邢瑞哲為第一作者,西北工業(yè)大學(xué)孔杰教授、西安科技大學(xué)楊嘉怡副教授為通訊作者。該工作得到國家杰出青年科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金面上項目、中國博士后科學(xué)基金等支持。


全文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202307499


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