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  功能梯度材料（FGM）的成分/結(jié)構(gòu)在空間上梯度變化以實現(xiàn)其機械、熱膨脹、介電性能或其他性能的梯度變化。由于其可調(diào)控的多功能特性及對特定應(yīng)用需求的高度適應(yīng)性，功能梯度材料的設(shè)計、構(gòu)建和應(yīng)用一直是材料科學(xué)和材料加工領(lǐng)域的研究熱點，其在微電子、航空航天、軟體機器人及生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。然而功能梯度材料在空間上的各向異性不可避免地與傳統(tǒng)制造技術(shù) (如鑄造、切削及注塑等) 不兼容，功能梯度材料的三維精準(zhǔn)構(gòu)建一直是材料加工領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)之一。

（1）半色調(diào)灰度光固化技術(shù)的開發(fā)及力學(xué)梯度材料的構(gòu)建

  在外部條件刺激下 (壓力、溫度和光照等) ，力學(xué)梯度材料可產(chǎn)生各向異性變形，這種梯度響應(yīng)特性為軟體機器人技術(shù)帶來了新的契機。通過使用灰度掩模，基于數(shù)字微振鏡 (DMD) 的立體光刻3D打印技術(shù)在空間上定義材料的光聚合程度，可以實現(xiàn)力學(xué)梯度材料的構(gòu)建。然而，DMD灰度光固化依靠256級灰度掩模 (8-bit) 來調(diào)控曝光能量的梯度分布，與大多數(shù)投影式光固化設(shè)備（如LCD設(shè)備）并不兼容。為解決這一局限，基于數(shù)字半色調(diào)圖像處理技術(shù)，費廣海、Rob Ameloot團(tuán)隊開發(fā)了一種能在任何投影式光固化設(shè)備（DMD或LCD設(shè)備）上實現(xiàn)梯度打印的新型灰度打印技術(shù)，突破了長期以來灰度光固化只能依靠DMD打印機來實現(xiàn)的限制。相關(guān)成果以Digital Halftoning for Printer-Independent Stereolithography of Functionally Graded Materials為題發(fā)表于Cell Reports Physical Science（Cell Press、封面文章）。

圖1 半色調(diào)灰度光固化技術(shù)

（2）數(shù)字光固化和選擇性溶解工藝的開發(fā)及“孔隙率和填料含量”雙重梯度的實現(xiàn)

  微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜且具有微米孔徑 (<50 μm) 和梯度孔隙率的多孔材料在醫(yī)學(xué)植入體和微流控等領(lǐng)域有巨大潛力。然而，傳統(tǒng)的材料加工技術(shù)不適合制造這種三維、復(fù)雜的梯度多孔材料。結(jié)合光固化技術(shù)和化學(xué)溶解策略，費廣海、Rob Ameloot團(tuán)隊開發(fā)了一種數(shù)字灰度光固化和選擇性溶解工藝來實現(xiàn)梯度多孔材料的制備。在數(shù)字灰度曝光策略的作用下，光敏樹脂發(fā)生梯度交聯(lián)反應(yīng)，形成具有梯度交聯(lián)密度的高分子網(wǎng)絡(luò)。打印樣品浸入清洗溶劑后，通過調(diào)整溶劑濃度和浸泡程序來控制高分子的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)溶脹程度，從而使溶劑有選擇性地滲透到交聯(lián)密度較低的區(qū)域 (溶脹速度較快) ，溶解填料并形成梯度多孔材料。相關(guān)成果以Stereolithographic 3D Printing of Graded Porous Materials via an Integrated Digital Exposure and Selective Dissolution Strategy為題發(fā)表于Cell Reports Physical Science。

圖2 數(shù)字光固化和選擇性溶解技術(shù)

（3）各類灰度立體光刻技術(shù)的總結(jié)及應(yīng)用

  灰度立體光刻技術(shù)通過精確控制3D打印過程的曝光能量和高分子的聚合度來制備功能梯度材料。這項綜合性工作深入研究了各種灰度光固化3D打印技術(shù)及其工作機理（光能控制原理及高分子聚合機制），分析了各類技術(shù)的優(yōu)缺點及其應(yīng)用場景，提供了改進(jìn)灰度光固化3D打印的方法。相關(guān)成果以From Grayscale Photopolymerization 3D Printing to Functionally Graded Materials為題發(fā)表于Advanced Functional Materials（封面文章）。

圖3 各類灰度立體光刻技術(shù)的對比

  除了灰度立體光刻技術(shù)的開發(fā)，費廣海團(tuán)隊還開發(fā)了電場輔助光固化技術(shù)和可逐層調(diào)控打印參數(shù)的多材料光固化技術(shù)，實現(xiàn)了半導(dǎo)體器件的原位梯度封裝，擴展了光固化技術(shù)在微電子領(lǐng)域的應(yīng)用。相關(guān)成果分別以Multi-material and parameter-controllable stereolithography 3D printing of graded permittivity composites for high voltage insulators和Electrically assisted stereolithography 3D printing of graded permittivity composites for in-situ encapsulation of insulated gate bipolar transistors (IGBTs)為題發(fā)表在材料加工領(lǐng)域權(quán)威期刊Virtual and Physical Prototyping和Materials & Design 。

  原文鏈接：  

  https://doi.org/10.1080/17452759.2023.2271447

  https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.112220