Nature:3D打印透明石英玻璃



 【引言】

玻璃由于其无可匹敌的光学透明性,出色的机械性能以及优异的热、电、化学阻隔性在科学研究中受到广泛关注。众所周知,传统玻璃制品通过雕刻或吹塑而成形,这往往需要较高的温度,且过程复杂繁琐,有时还需要使用有毒的化学试剂,不符合现代绿色产业要求。近年来,3D打印成为新兴产业,但3D打印往往使用树脂材料,上述缺点使得玻璃难以在现代3D制造技术方面得以广泛应用,成为目前一项极具挑战且富有前景的课题。

【成果简介】

近期,德国卡尔斯鲁厄理工学院的Bastian E. Rapp(通讯作者)等人在Nature上发表了题为“Three-dimensional printing of transparent fused silica glass”的文章,提出了“液体玻璃”的系统,即将优良的玻璃粉末分散在适宜液体中,形成悬浮液。3D打印机便可对此纳米复合材料直接加工,再经过热处理,除去多余部分,即可得到各种形状的玻璃,其精度只受3D打印机准确度的影响。这种打印的石英玻璃无孔,透明性好且表面光滑。通过掺杂金属盐,可得到各种颜色的玻璃制品。这项研究不仅拓宽了3D打印的材料,同时还使各种尺寸石英玻璃的获取成为可能。

【图文导读】

图1 熔融石英玻璃的3D打印

a)可紫外固化的单体溶剂与无定型的硅纳米粉末混合,形成纳米混合物,然后在立体平版印刷下,形成的聚合复合物通过热脱脂及烧结最终转变为石英玻璃。(比例尺:7mm)

b、c) 印刷烧结的玻璃结构的例子。分别为卡尔斯鲁厄理工学院和椒盐卷饼的标志。(比例尺:5mm)

d) 印刷石英玻璃的高热阻性示例。(比例尺:1cm),其中的火焰温度大约为800。

图2 烧结玻璃的特性以及纳米复合材料的高分辨率

a、b) 与商业石英玻璃相比,印刷烧结石英玻璃的X射线光电子能谱和拉曼光谱。

c) 左边是用于微立体平版印刷的指数匹配的纳米复合材料与非指数匹配的铸造泥浆的紫外-可见光透射光谱图。在365nm的波长照射下,基于微立体平版印刷的纳米复合材料的透射率大约增加了62%。当铸造泥浆正在强烈吸收光时(透射率大约为4%),这种纳米复合材料是高度透明的(透射率大约为66%)。右边分别为铸造和微立体平版印刷的纳米复合材料。

图3 石英玻璃的微结构

a)中空城堡大门的微立体平版印刷。(比例尺:270μm)

b) 典型微流控芯片的微立体平版印刷。(插图比例尺:200μm)

c) 微光衍射结构产生底部所示的光学投影图案。(用绿色激光棒照明;比例尺:100μm)

d) 使用灰度平板印刷构造的显微镜头。(插图比例尺:100μm)

图4 烧结玻璃的表面和光学特性

a)印刷玻璃部分显示了逐层微立体平板印刷过程中台阶和侧壁的起伏,印刷部分的厚度为20μm。(比例尺:80μm)

b) 原子力显微镜对于石英玻璃中微流通道的测量,表明顶部表面的粗糙度很低,大约为2nm,z表示所测样品的高度。(比例尺:260μm)

c) 与商业石英玻璃相比,印刷烧结玻璃的紫外可见光谱图,其透射光谱几乎是相似的。金属盐的掺杂将形成色彩丰富的二元石英玻璃。(如c中右图所示)

【小结】

本文报道了一种基于3D打印得到石英玻璃的方法。此种方法确保了在大或微米尺度上制备出形状复杂,具有高度透明,热阻性优异,机械性能良好的玻璃。同时它也扩展了3D打印技术的材料,具有很大的应用前景。

文献链接:Three-dimensional printing of transparent fused silica glass (Nature, 2017, DOI:10.1038/nature22061)

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