期刊：Advanced Materials

IF: 32.086

文章DOI: 10.1002/adma.202208653

【引言】

骨骼，琺瑯和珍珠等天然材料的優(yōu)異力學(xué)性能源于特別的微結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的拓撲結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)工藝制備的材料很難制備上述微納結(jié)構(gòu)，幾乎無法達到天然材料的性能。為了解決這一問題，科學(xué)家們提出了超材料（Metamaterials）的概念，即通過增材/減材制造的方式，制備天然材料所具有的微結(jié)構(gòu)和拓撲結(jié)構(gòu)。雙光子聚合技術(shù)是一種典型的制備超材料的增材制造技術(shù)，該方法已被廣泛用于聚合物材料的制備。但光在含有固體顆粒的聚合物樹脂中會被強烈散射，利用雙光子聚合技術(shù)制備具有特殊微結(jié)構(gòu)和拓撲結(jié)構(gòu)的陶瓷材料是困擾學(xué)術(shù)界和工業(yè)界多年的難題。

【成果簡介】

2023年2月的材料領(lǐng)域期刊《Advanced Materials》報道了德國聯(lián)邦材料研究與測試研究所（BAM）S?nger等人通過雙光子聚合-燒結(jié)的技術(shù)路徑制備了具有拓撲結(jié)構(gòu)的陶瓷超材料。作者使用飛秒激光微納加工綜合系統(tǒng)-Laser Nanofactory中波長為780 nm的激光光源，制備出了最小線寬為500 nm的復(fù)雜拓撲釔穩(wěn)氧化鋯（YSZ）陶瓷超材料。研究結(jié)果表明：密度范圍在1-4 g/cm^?3的YSZ陶瓷超材料，其抗壓強度就可達4.5 GPa。這一力學(xué)性能與傳統(tǒng)塊體YSZ陶瓷保持一致。

飛秒激光微納加工綜合系統(tǒng)-Laser Nanofactory設(shè)備圖

【圖文導(dǎo)讀】

圖1. 通過雙光子聚合和1200℃燒結(jié)實現(xiàn)3D增材制造。a) x-y平面內(nèi)線寬為1 μm的立方體中無畸變晶格俯視圖。b)45°和90°燒（插圖）側(cè)視圖。c)放大顯示單個單元。d）CAD模型。

圖2. 陶瓷納米顆粒和用于光子聚合制造樹脂的表征。a)YSZ陶瓷納米顆粒粒徑分布圖。b)陶瓷納米顆粒的透射電鏡表征。c)在添加不同粒徑，不同質(zhì)量的陶瓷納米顆粒后樹脂透光性能表征。

圖3. 通過飛秒激光微納加工綜合系統(tǒng)-Laser Nanofactory雙光子聚合-燒結(jié)制備的YSZ陶瓷微納結(jié)構(gòu)。1200℃溫度燒結(jié)的a)實心結(jié)構(gòu)和b)最小線寬為500nm的空心結(jié)構(gòu)。c) 1450℃溫度燒結(jié)的實心和d) 1200℃溫度燒結(jié)的空心Schwarz P曲面體。

圖4. 通過飛秒激光微納加工綜合系統(tǒng)-Laser Nanofactory雙光子聚合-燒結(jié)制備的YSZ陶瓷微納結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。a)在800℃和1200℃溫度下燒結(jié)的實心立方體的力-位移曲線。b)經(jīng)過1200℃或更高溫度燒結(jié)后的實心或空心Schwarz P曲面體在相近的外力條件下產(chǎn)生斷裂。

圖5. 各種材料的強度-密度相關(guān)性。

【結(jié)論】

S?nger等人通過雙光子聚合-燒結(jié)的技術(shù)路徑制備了具有復(fù)雜拓撲結(jié)構(gòu)的陶瓷超材料，拓撲結(jié)構(gòu)的最小線寬可達到500 nm，抗壓強度與傳統(tǒng)的塊體YSZ材料相當(dāng)。該研究彌補了利用雙光子聚合技術(shù)制備陶瓷材料的空白，借助Femtika的飛秒激光微納加工綜合系統(tǒng)-Laser Nanofactory將陶瓷超材料的制備精度提高到了亞微米尺度。如下圖所示，F(xiàn)emtika的飛秒激光微納加工綜合系統(tǒng)-Laser Nanofactory不僅具有雙光子聚合制備功能，還擁有激光燒蝕和選擇性刻蝕等功能，可廣泛適用于微納機電，生物醫(yī)藥，通訊傳感等領(lǐng)域的研究和生產(chǎn)。

圖6. Femtika的飛秒激光微納加工綜合系統(tǒng)-Laser Nanofactory制備的a)微針，b)金屬親疏水表面微結(jié)構(gòu)，c)通訊光纖上的傳感器，d)微納齒輪，e)微納光學(xué)結(jié)構(gòu)，f)金屬孔洞，g)基于玻璃的微流控器官芯片，h）可活動鉸鏈，i)微納陶瓷雕像。

相關(guān)產(chǎn)品

1、飛秒激光微納加工綜合系統(tǒng)-Laser Nanofactory