飞秒激光微纳加工综合系统在精密陶瓷结构加工中的最新应用

期刊：Advanced Materials

IF: 32.086

文章DOI: 10.1002/adma.202208653

【引言】

骨骼，珐琅和珍珠等天然材料的优异力学性能源于独特的微结构和优异的拓扑结构。传统工艺制备的材料很难制备上述微纳结构，几乎无法达到天然材料的性能。为了解决这一问题，科学家们提出了超材料（Metamaterials）的概念，即通过增材/减材制造的方式，制备天然材料所具有的微结构和拓扑结构。双光子聚合技术是一种典型的制备超材料的增材制造技术，该方法已被广泛用于聚合物材料的制备。但光在含有固体颗粒的聚合物树脂中会被强烈散射，利用双光子聚合技术制备具有特殊微结构和拓扑结构的陶瓷材料是困扰学术界和工业界多年的难题。

【成果简介】

2023年2月的材料领域权威期刊《Advanced Materials》报道了德国联邦材料研究与测试研究所（BAM）Sänger等人通过双光子聚合-烧结的技术路径制备了具有拓扑结构的陶瓷超材料。作者使用飞秒激光微纳加工综合系统-Laser Nanofactory中波长为780 nm的激光光源，制备出了最小线宽为500 nm的复杂拓扑钇稳氧化锆（YSZ）陶瓷超材料。研究结果表明：密度范围在1-4 g/cm^−3的YSZ陶瓷超材料，其抗压强度就可达4.5 GPa。这一力学性能与传统块体YSZ陶瓷保持一致。

飞秒激光微纳加工综合系统-Laser Nanofactory设备图

【图文导读】

图1. 通过双光子聚合和1200℃烧结实现3D增材制造。a) x-y平面内线宽为1 μm的立方体中无畸变晶格俯视图。b)45°和90°烧（插图）侧视图。c)放大显示单个单元。d）CAD模型。

图2. 陶瓷纳米颗粒和用于光子聚合制造树脂的表征。a)YSZ陶瓷纳米颗粒粒径分布图。b)陶瓷纳米颗粒的透射电镜表征。c)在添加不同粒径，不同质量的陶瓷纳米颗粒后树脂透光性能表征。

图3. 通过飞秒激光微纳加工综合系统-Laser Nanofactory双光子聚合-烧结制备的YSZ陶瓷微纳结构。1200℃温度烧结的a)实心结构和b)最小线宽为500nm的空心结构。c) 1450℃温度烧结的实心和d) 1200℃温度烧结的空心Schwarz P曲面体。

图4. 通过飞秒激光微纳加工综合系统-Laser Nanofactory双光子聚合-烧结制备的YSZ陶瓷微纳结构的力学性能。a)在800℃和1200℃温度下烧结的实心立方体的力-位移曲线。b)经过1200℃或更高温度烧结后的实心或空心Schwarz P曲面体在相近的外力条件下产生断裂。

图5. 各种材料的强度-密度相关性。

【结论】

Sänger等人通过双光子聚合-烧结的技术路径制备了具有复杂拓扑结构的陶瓷超材料，拓扑结构的最小线宽可达到500 nm，抗压强度与传统的块体YSZ材料相当。该研究弥补了利用双光子聚合技术制备陶瓷材料的空白，借助Femtika的飞秒激光微纳加工综合系统-Laser Nanofactory将陶瓷超材料的制备精度提高到了亚微米尺度。如下图所示，Femtika的飞秒激光微纳加工综合系统-Laser Nanofactory不仅具有双光子聚合制备功能，还拥有激光烧蚀和选择性刻蚀等功能，可广泛适用于微纳机电，生物医药，通讯传感等领域的研究和生产。

图6. Femtika的飞秒激光微纳加工综合系统-Laser Nanofactory制备的a)微针，b)金属亲疏水表面微结构，c)通讯光纤上的传感器，d)微纳齿轮，e)微纳光学结构，f)金属孔洞，g)基于玻璃的微流控器官芯片，h）可活动铰链，i)微纳陶瓷雕像。