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中国科学院上海硅酸盐研究所杨勇研究员：3D打印新型Mullite Anti-Gyroid/SiC Gyroid陶瓷超结构

已有 554 次阅读 2024-9-15 10:20 |个人分类:JAC|系统分类:科研笔记

原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Wang C, Chen X, Wang Z, Yang Y, et al. A novel mullite anti-gyroid/SiC gyroid ceramic metastructure based on digital light processing 3D printing with enhanced electromagnetic wave absorption and mechanical properties. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(8): 1212-1222.

文章DOI：10.26599/JAC.2024.9220930

ResearchGate：https://www.researchgate.net/publication/382882443_A_novel_mullite_anti-gyroidSiC_gyroid_ceramic_metastructure_based_on_digital_light_processing_3D_printing_with_enhanced_electromagnetic_wave_absorption_and_mechanical_properties

1、导读

SiC基复合材料由于其出色的介电性能而被广泛用作电磁波吸收体。但传统陶瓷结构设计以及制备过程的限制阻碍了其更广泛的应用。本文设计了一种新型碳化硅二十四面体螺旋结构/莫来石反-二十四面体螺旋结构的新型吸波超结构器件，大大提高了复合材料的力学和吸波性能。并利用数字光处理3D打印和前驱体渗透热解（PIP）工艺制备了该材料。这种方法为制造具有更高电磁波吸收性能和提高机械性能的结构复合材料提供了一种新颖有效的方法。

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2、研究背景

碳化硅基复合材料因其优异的介电性能、耐高温等优势而被广泛用作电磁波吸收体。然而，目前大多数研究仅在微观尺度上调控材料的电磁波吸收特性，其具有制备过程复杂、难以调节宽带强吸收等局限性限制了其未来的应用。结合宏观结构设计实现阻抗匹配和电磁参数的剪裁是现代隐身材料的主要研究趋势。然而，传统制备方法难以实现微观-介观-宏观的结构性能可控化设计。数字光处理 (DLP) 3D打印易于制造复杂结构、高可靠性的SiC 基复合材料，是一种极富前景的增材制造新技术。目前，DLP制备碳化硅基吸波材料大多以陶瓷前驱体为原料，存在尺寸收缩大导致结构调控困难，以及力学性能差等问题。在本工作中，我们结合材料微观尺度上的性能和宏观的结构设计，精心设计了一种具有SiC Gyroid碳化硅二十四面体螺旋结构（极小曲面结构）/莫来石反-二十四面体螺旋结构的新型吸波超结构器件，能够大大提高结构件的吸波和力学性能。

3、文章亮点

本文采用DLP数字光固化3D打印技术制备了具有极小曲面结构特征的碳化硅二十四面体螺旋结构Gyroid吸波骨架，然后通过多次前驱体浸渍裂解工艺对其填充了莫来石反-二十四面体螺旋结构Anti-Gyroid透波相，从而获得具有Mullite Anti-Gyroid/SiC Gyroid新型吸波超结构的承载-吸波一体化复合材料，最终获得了高性能的Mullite/SiC 超结构复合材料。

4、研究结果及结论

本文利用数字光处理 (DLP) 3D打印和前驱体渗透和热解（PIP）工艺制备SiC Gyroid碳化硅二十四面体螺旋结构（极小曲面结构）/莫来石反-二十四面体螺旋结构的新型吸波超结构。通过调节结构单元，可以有效调节电磁参数，从而改善复合材料的阻抗匹配特性。相比于报道的DLP 3D打印制备的SiOC陶瓷（最小反射系数-23.5 dB，J. Eur. Ceram. Soc., 2021，41， 6393-6405），本文设计制备的复合材料在厚度为1.9 mm时，其最小反射系数可达-54 dB；在厚度为2.2 mm时，有效吸波带宽达3.2 GHz。此外其弯曲强度与多孔Mullite/SiC复合材料相比提高了3.7~5.8倍，从13.28 ± 1.15 MPa提高到了49.05 ± 1.07 – 77.78 ± 3.72 MPa。

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本文研究的创新特色是首次利用DLP数字光固化 3D打印结合前驱体浸渍裂解工艺设计制备了Mullite Anti-Gyroid/SiC Gyroid超结构复合材料，阐明了结构设计对样品的介电特性调控和浸渍裂解后Mullite/SiC复合材料的力学性能影响，从而高效制备了宏观结构复杂、微观结构可控、承载-吸波一体化的结构型 Mullite/SiC 复合材料。

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5、作者及研究团队简介

杨勇：中国科学院上海硅酸盐研究所研究员，博士生导师，中国科学院杰出人才计划和上海市领军人才。主要开展陶瓷增材制造科学、表面改性与光学镀膜研究；主持研制了国内第一套太空激光雷达用碳化硅光学部件，研发的陶瓷表面改性等技术已经成功应用于北斗导航及实践系列卫星。迄今已在国际著名学术刊物如Matter、Journal of Advanced Ceramics、Additive Manufacturing、J. Euro. Ceram. Soc.等发表SCI论文160多篇，多篇ESI高被引；受邀为5本外文书籍（英文和日文）各撰写一章，取得中国和日本多项授权专利。以分会主席在国际航天会议、亚太陶瓷年会等做邀请报告30余次。作为首席科学家主持了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金和北斗导航激光通信光学器件等重大项目。担任中国硅酸盐学会涂层与薄膜分会理事、中国物理学会光散射分会委员、Surface Science and Technology和无机材料学报、光散射学报编委。获得中国建筑材料联合会技术发明一等奖和日本文部省纳米技术合作平台杰出成就奖。

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”梯队期刊项目。