运用实例新加坡南洋理工大学根据增材制作的资料微加工的最新进展

  增材制作（又称3D打印）是一种先进的资料加工技能，可用于产品的快速成型，以及杂乱结构产品的精细加工，因而，3D打印在功用器材，微模具以及超资料的制备等范畴受到了广泛的重视。根据3D打印技能的资料微加工工艺取决于打印东西和所运用资料，经过对打印物体的高精度操控，完成杂乱结构的微制作。近年来，他们自主研制制备了一系列可光固化打印树脂，经过运用前驱体战略以及二次固化处理，合作打印精度为微米级的摩方精细面投影微立体光刻（PμSL）技能，成功制备了高功能晶格超资料，以及热固塑料和陶瓷资料的微加工制备。固体玻璃碳是一种具有低序玻璃状无定形结构的碳资料，具有特别的电化学、热、机械和电学特性，在很多范畴如精细微型模具、烧蚀防护罩、电化学传感器等方面都有广泛的运用。但是，比较于其它资料，例如塑料，金属和陶瓷，固体碳资料的加工制备具有更大的挑战性，因为他们的高热阻和高脆性，固体碳既不能经过熔融挤出成型也不能经过高温烧结进行加工。

  近来，在前期作业的基础上，新加坡南洋理工大学胡晓教授团队报导了新式可光固化的邻苯二甲腈（PN）单体并制备了可3D打印树脂，经过PμSL技能和固化热解处理，成功完成了玻璃碳（Glassy Carbon）的精细微加工。在他们的作业中，研讨者首要合成了可光固化PN单体并溶解在溶液中配成可打印树脂，然后运用PμSL技能，并选用nanoArch® S140 3D打印设备（精度：10 µm）将得到的树脂打印成型具有微米分辨率的3D结构。之后，经过热处理和热裂解转化成为具有杂乱结构的玻璃碳产品。因为所制备PN单体的高碳产率，这种运用前驱体战略和3D打印技能取得的玻璃碳结构，不只完成了微米尺度上的结构杂乱性，一起在坚持了玻璃碳产品的结构完好性，保真性和低缩短性。此办法为推动玻璃碳在医疗东西、电化学器材、精细微成型设备，以及在动力和航空航天技能中的运用供给了一个新的规划思路。相关研讨成果以“Micro-fabrication of Glassy Carbon with Low Shrinkage and High Char Yield using High-performance Photocurable Phthalonitrile (PN) Resins”为题宣布在世界闻名期刊《Additive Manufacturing》上。

  在该项作业中，研讨者所制备的新式PN树脂表现出优异的热功能和机械功能，具有挨近300℃玻璃化转变温度（Tg）和150 MPa的抗弯强度，以及快速光聚合的才能，可用于3D打印技能的成型加工。研讨者经过PμSL技能，制备出具有微米级分辨率的杂乱结构，经过将打印好的产品进行二阶段的固化以及渐进式热解处理，终究得到了具有杂乱结构的玻璃碳产品。（如图1）

  图 1. 运用新式PN树脂打印的3D结构和热处理后的结构和转换为玻璃碳的结构。

  进一步研讨标明，因为所制备的PN树脂具有较高的碳产率（ 60wt%），终究经过热解得到的3D打印玻璃碳结构具有较低的各向同性缩短率（～29%），而且产品外表非常润滑，结构完好，内部无微观缺点。再经过拉曼光谱，XRD，三点紧缩等一系列的测验，深化表征了玻璃碳产品的结构特征和机械功能（图2）。

  图 2. (a) CAD 结构模型，运用 PN树脂的 3D 打印、热处理和玻璃碳的蜂窝结构。(b) (c) (d)所得结构的外表和横截面外表形状。在800 和 1000度热解得到产品的(e) 拉曼光谱 (f) XRD 图谱 (g)蜂窝结构的应力应变曲线。

  最终 ，研讨者还探究了玻璃碳微加工产品在一些范畴的潜在运用（例如，接骨螺钉、微电极、微模具等 (图3)）并比较了常见聚合物树脂和本作业树脂的碳产率，热功能以及缩短率。

  图 3. (a) 运用 PN树脂打印的具有潜在运用的玻璃碳结构；本作业所制备的PN树脂 (b) 与常见聚合物树脂的Tg 和碳产率的比照；(c) 与其他资料打印的碳产品的缩短率和碳产率的比照。

  定论：本研讨运用可光聚合PN树脂和PμSL技能制作出来杂乱的玻璃碳微结构。所研制的PN树脂具有出优异的热功能，机械功能和高碳产率；热解后所得到的玻璃碳产品有低缩短率和优异的结构完好性。经过这一种精细加工办法成功制作出来的玻璃碳接骨螺钉、电极和微流体模具等功用性的产品，展示了该树脂以及这种制作办法在医疗、电化学和微制作范畴的宽广运用潜能。总而言之，本作业不光报导了新式碳前驱体PN树脂的制备与表征，更成功完成了固体碳资料的精细微加工，进一步标明增材制作技能（例如PμSL技能）在资料杂乱结构加工方面的优势和潜力。

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