德国新技术：无需烧结的3D玻璃打印工艺问世

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來源:大纪元


图为使用POSS技术打印出来的纳米玻璃颗粒形状。（Dr. Jens Bauer/KIT）


【大纪元2023年07月28日讯】（大纪元专题部记者吴瑞昌编译报导）过往玻璃的3D打印需要依靠高温烧结，但德国一所大学新开发的3D玻璃打印技术，可以在无烧结且低温的情况下，将纳米级的玻璃打印在芯片或其他光学仪器上。这项创举将为光学、光子学和半导体技术领域开辟许多新的应用。
德国卡尔斯鲁厄理工学院（Karlsruher Institut für Technologie，KIT）开发的3D玻璃打印工艺为“多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）”。这项工艺利用有机物和无机物混合的聚合物树脂作为打印的原料，将玻璃打印在物品上，且过程无需高温烧结。该大学将这项工艺写成论文，并在6月发表至《科学》杂志上。
论文介绍，玻璃卓越的光学透明度及热、化学和机械弹性，使其成为现代工程应用最重要的材料之一，但普通玻璃（二氧化硅）熔点为1100°C左右，这使得它在打印上一直具有挑战性。
尽管，玻璃在塑型和制造上取得了很大进展，但仍然依赖既定的工业流程与古法吹制技术，才能让玻璃熔化或颗粒烧结。此外，过去常用的双光子聚合（TPP）3D石英玻璃树脂纳米打印技术虽然具有相当大的潜力，但很大程度被限制在平面结构进行打印，因此适用性十分有限。
原因是单纯双光子聚合（TPP）打印出来的成品，需要在含有惰性气体和1100°C至1300°C的高温度环境中进行数天的烧结程序，才能消除打印过程中的黏合剂，最终让玻璃颗粒融合成固体。
不过，这种高温会破坏半导体、太阳能电池、红外和光纤、激光器和光电探测器中的材料。因此，传统的石英玻璃树脂不能直接在芯片或不耐热的仪器上打印，只能依靠印后组装，但这些问题会降低它的竞争能力。
这次，德国卡尔斯鲁厄理工学院团队使用有机-无机聚合物树脂作为原料，可以在低温情况下打印复杂的透明熔融石英玻璃纳米结构。
他们在POSS-玻璃树脂中使用一款有机的黏合剂“丙烯酸酯”与二氧化硅混合的3D打印材料，并透过TPP工法将玻璃打印在平台上，随后将半成品放置在650°C环境（含有空气）中去除丙烯酸酯，最终获得完整熔融状态的玻璃。
用这种新的方式打印出来的玻璃，在分辨率、结构质量和可覆盖尺寸范围方面优于无机TPP打印材料，且大小可以调整为数十至数百纳米之间，而成品型状有晶格、土丘和同心圆环。
科学家发现，光子晶体（玻璃颗粒）之间的距离大约350nm，这表明能够在接近紫外（UV）范围的波长下实现纳米光子结构，因此产品在光学显微照射下显示了反射蓝紫色光的结构，以及通过更大的颗粒间距，调整反射出来的颜色，例如：红、绿和黄等。
此外，这种打印出来的玻璃光子晶体的透射率，远比单纯用TPP技术在1100°C进行烧结的熔融玻璃更好。除此之外，POSS打印出来的玻璃即使暴露于1000°C的高温中也没有显着改变材料的透射率。
除了透射率之外，他们还发现，这种方法打印出来的微柱结构，在机械弹性、强度和刚度上，也比普通TPP 打印出来的玻璃强度高出10倍左右，还能增加高微透镜的精度。
为了证实材料表征，他们对打印的过程和成品进行检测。数据显示，成品在650°C时重量有损失，这表示丙烯酸酯聚合物在完全热解后被去除；对选定区域进行观察，看到成品有着均匀的非晶微观结构且没有任何孔洞；还证实该材料仅由硅和氧组成。
另外，他们对POSS打印出来的玻璃加热至1200°C，其仍能保持几何完整性，且没有测量到进一步的收缩。这表示其结构非常稳定。
以上实验成果表示，POSS树脂打印工艺，实现过往只有在3D打印使用标准的有机树脂才能做的聚合结构、质量、复杂性和可覆盖尺寸大小，同时能在不破坏半导体、太阳能电池、激光器和光电探测器中的温度中进行打印。
KIT纳米技术研究所延斯·鲍尔（Jens Bauer）博士对该校的新闻室表示，“POSS树脂的打印温度较低，因此可以直接在半导体芯片上以自由形式，打印出坚固的光学级玻璃结构，同时具有可见光纳米光子学所需的分辨率。”
他还表示，“这种打印生产的石英玻璃，除了具有优异的光学品质外，还具有优异的机械性能，且易于加工。另外，我们的工艺生产的结构，即使在恶劣的化学或热条件下也能保持稳定。”