2022年12月15日，山东大学龚红宇团队在《Ceramics International》上发表题为Direct ink writing of SiOC ceramics with microwave absorption properties的研究文章，将DIW3D打印工艺与聚合物前驱体转化相结合以制备功能陶瓷，通过研究SiOC陶瓷的微波吸收性能，验证了DIW打印SiOC陶瓷的可行性，为今后的研究提供了新的思路。
//doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.12.136
研究简介
碳氧化硅（SiOC）陶瓷被认为是吸波材料领域最有前途的材料之一。通过聚合物前驱体转化制备SiOC陶瓷时，一般在前驱体制备和成型过程中进行化学改性以提高其吸波性能。为了满足更多应用场景的要求，研究人员采用结构和形状设计更加灵活的3D打印技术之一“直写DIW”来取代传统的成型方法。本研究解决了直接墨水书写与聚合物前驱体转化相结合的关键问题，获得了结构和形状良好的SiOC吸波陶瓷。经测试，陶瓷的最小反射损耗可达-36 dB，相应的有效吸收带宽为2 GHz。实验证实了3D打印与聚合物前驱体转化相结合的可能性及其制备吸波陶瓷的巨大潜力。
研究内容简介
吸波材料是一种通过介质损耗或磁损耗几乎为零的反射，将投射到表面的电磁微波吸收或大幅度衰减，转化为以热能为主的其他形式能量的材料。随着电磁设备在各个领域的应用日益广泛，电磁微波辐射对环境和人体健康的影响也越来越大。电磁应用场景的多样化对吸波材料提出了更加具体的要求，以减少电磁污染，避免电磁干扰。为了满足不同的需求和克服问题，除了开发MAMs等新型复合材料体系（包括碳基吸波材料、铁基吸波材料等）外，目前的研究思路之一是探索各种制备工艺，以获得种类繁多的微波吸波材料，如包覆工艺、溶胶-凝胶法、微波辅助水热法。近年来，3D打印技术以其更灵活的成形复杂形状和结构，逐渐成为一个新的重要研究方向。从理论上讲，3D打印技术可以在不需要模具或其他加工操作的情况下，通过打印来赋予产品不同的形状，甚至是一些传统制造工艺几乎无法形成的特别复杂的形状或结构。因此，3D打印在许多领域具有广泛的应用和巨大的潜力。在所有3D打印技术中，直接墨水书写(DIW)技术被认为是一种相对简单、适应性强、成本低的方法，适用于多种材料，如陶瓷材料、聚合物、合金等。它是一种基于挤出的方法，在室温下使用具有复合流变性和液-固结构的非牛顿粘性浆料作为打印材料，因此在打印过程中不需要使用额外的刺激性化学品和额外的高温处理。此外，与其他3D打印设备相比，DIW设备通常结构更简单，便于组装和操作。但DIW与聚合物前驱体转化相结合的方法还存在一些有待解决的问题。一方面，DIW技术仍然受到许多限制。墨水是打印的关键因素，因此填料的种类和用量非常重要。此外，打印过程中还需要克服环境不稳定对墨水的影响。另一方面，硅基陶瓷的微波吸收性能并不突出。SiC作为烧结添加剂，可同时提高烧结后的微波吸收和三维结构。本文选用液态羟基硅油作为聚合物前驱体材料，以SiC粉和纳米熔融二氧化硅为主要填料。用DIW打印成形，然后高温烧结得到陶瓷件，并研究了SiOC陶瓷的微波吸收性能。实验结果验证了DIW打印SiOC陶瓷的可行性，为今后的研究提供了新的思路。
图1 (a)实验过程;(b) 3D打印模型和打印界面俯视图。
图2 (a)矢量网络分析仪测试图;(b)样本量。
图3 (a)挤出效果好的线材;(b)挤压效果差的生产线;(c) (b)所示的行放置一段时间。
图4 (a)(b)两种打印效果较差的样品。图11 纳米气相二氧化硅烧结前后的扫描电镜(× 2000)。
在本实验中，研究人员开发了一种具有合适粘度变化和流变性的DIW印刷墨水。用DIW取代传统的成型方法，并将其与聚合物前驱体转化相结合制备功能陶瓷。当SiC与羟基硅油的质量比为5:7时，3.5 mm厚度陶瓷的RLmin可达- 36 dB，对应的EAB为2 GHz。吸波能力的提高主要来自于SiC的加入引起的介电损耗。实验结果证实了传统陶瓷制备工艺与新型成型方法相结合的可能性以及制备吸波陶瓷的巨大潜力。中国九游会科技研发的DIW直写3D打印机是是制备吸波材料的一个不错的选择，其突出优势在于低至0.05mm的重复定位精度、可精准调控的气动挤出喷头、快速自动优化打印路径的打印引擎、开放式可个性化定制的多元配置，为客户打造最适合自己的3D打印机。
