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西工大孔杰教授團(tuán)隊(duì) AFM：光固化3D打印液態(tài)金屬-陶瓷寬頻吸波超材料
2023-09-12  來源：高分子科技

  液態(tài)金屬具有相對(duì)較低的熔點(diǎn)，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(bào)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(yàn)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(xiàng)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(bào)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(jī)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(jì)和3D打印制備，可實(shí)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(shí)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(jìn)而利用光固化3D打印實(shí)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(shí)物


  研究發(fā)現(xiàn)，由于液態(tài)金屬具有獨(dú)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(huì)以氣態(tài)形式逃離陶瓷體系，也不會(huì)與前驅(qū)體中的其他元素反應(yīng)化合。同時(shí)，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(duì)液態(tài)金屬內(nèi)部進(jìn)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(dú)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)X波段74%頻段的電磁波吸收覆蓋。與此同時(shí)，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(kuò)展，從而提升整體的力學(xué)強(qiáng)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(jìn)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(jì)并制備了一種新型的電磁超結(jié)構(gòu)，實(shí)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(jìn)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(jì)制備及表征


  論文以 “3D Printing of Liquid-metal-in-ceramic Metamaterials for High-efficient Microwave Absorption” 為題在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(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中國(guó)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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