3D打印SiOC陶瓷的诞生

我们是从 Schmidt 和 Colombo 写的文章那里得到启发的。我们用了三组不一样的聚硅氧烷来当作预陶瓷聚合物，开发出了一系列硅基前驱体光敏树脂。然后用 DLP 光固化 3D 打印技术，成功地打印出了好多有不同特征的点阵结构。接着把打印出来的坯子清洗干净，进行后固化处理，再放到氩气氛围里热解，这样就顺利变成了有不同晶格结构、骨架还完全致密的前驱体转化 SiOC 陶瓷。我们还对在不同温度下热解得到的陶瓷样品的物理和化学性能，像微观结构、机械性能以及化学转变这些方面，做了全面的研究。结果显示，我们这次做出来的有机硅聚合物体系，打印性能很好，流变性能也不错，而且稳定性特别高。热解后的 SiOC 点阵结构，成型精度高，表面质量也好，从宏观和微观上看都没有缺陷产生，还有很出色的比强度。

我们用了三款聚硅氧烷，分别是 SILRES MK、SILRES 604 和 SILRES IC836，把它们用在硅基陶瓷前驱体里当作硅源。还用了四氢呋喃 THF 和三丙二醇单甲醚 TPM，让它们在前驱体树脂里当有机硅粉末的溶剂。三羟甲基丙烷三丙烯酸酯 TMPTA 和己二醇二丙烯酸酯 HDDA 用在光敏树脂里，它们既能当作反应单体和活性稀释剂，提高光敏聚合过程中的反应活性，又能给树脂固化提供所需的强度，还有打印时需要的流动性。大分子低聚物、脂肪族聚氨酯六丙烯酸酯 RJ423 也加到配方里，用来提高固化速度、固化刚度和固化强度。光引发剂 819（苯基双（2,4,6 - 三甲基苯甲酰基）氧化膦）在长波紫外 295 - 370nm 波段能感光，把它放在不饱和预聚体系里，就能引发紫外光聚合反应。我们通过做大量的配制实验、打印测试以及对性能进行表征（包括物理、机械和化学方面），得到了很多适合 DLP 光固化 3D 打印的前驱体光敏树脂，还用这些原料做出了性能很棒的点阵结构 SiOC 陶瓷。

我们用旋转流变仪来测量树脂的动态黏度，在旋转模式下进行温度扫描，这样就能得到粘度随剪切速率（在室温条件下）以及粘度随温度变化的曲线。同时用振荡模式下的频率扫描来测量三组树脂的溶胶 - 凝胶点。振动产生的能量会随着角频率增大而变多，有一部分会被体系吸收（这就是储能模量 G’），让体系处于高势能状态，没被吸收的部分就以能量耗散（损耗模量 G”）的形式释放出来。我们对不同角频率下体系的这两组模量进行测试，通过比较它们的数值关系，就能判断是不是出现了溶胶 - 凝胶转化，这样就能表征树脂的稳定性。固化性能的表征是用 UV - LED 光固化测试系统，测出树脂的固化深度和曝光时间的函数关系式，再用 Beer - Lambert 公式进行拟合，从曲线里推出透射深度 DP 和临界曝光强度 EC 这两个基本光敏参数。

物化性能表征方面，我们用同步热分析仪对固化后的树脂样件做热失重分析（DSC/TGA），在氮气氛围里慢慢把温度升高到 1100℃，就能得到不同温度下陶瓷前驱体各个组分的失重数据。用 X 射线衍射仪采集热解前后前驱体和陶瓷样件的 X 射线衍射（XRD）图谱，对比不同温度下烧结得到的陶瓷样件和没烧结前树脂样件的吸收峰，就能检测物相结构。用扫描电子显微镜（SEM）观察各组点阵模型的微观样子，再结合能谱仪（EDS）和 X 射线光电子能谱分析（XPS）对烧结后得到的 SiOC 陶瓷里的 Si、O、C 各组分进行元素标定。用分辨率是±4cm - 1 的傅里叶红外光谱仪（FT - IR）在 400 - 4500cm - 1 的扫描范围内，研究陶瓷前驱体在固化、裂解、成瓷过程中的键结构变化。用拉曼光谱（RS）在 800 - 2000cm - 1 的扫描范围内，研究不同热解温度下 SiOC 陶瓷里自由碳的演变规律，这样就能知道物质从无序变成有序的信息。 

• 上一篇：3D打印树脂全视角
• 下一篇：3D打印分层与路径填充