西工大孔杰教授團隊：光固化3D打印液態(tài)金屬-陶瓷寬頻吸波超材料

液態(tài)金屬具有相對較低的熔點，優(yōu)異的導電、導熱能力，因此在電學器件應用中具有巨大潛力。液態(tài)金屬的低粘度特性也使得其能夠適用于各種加工手段，例如絲網(wǎng)印刷、倒模、噴墨等等。在制備三維結(jié)構(gòu)材料方面，液態(tài)金屬被報道能夠兼容多種3D打印技術(shù)例如直接書寫3D打印技術(shù)、光固化3D打印技術(shù)、激光輔助3D打印技術(shù)等。陶瓷材料具有優(yōu)異的力學、抗氧化、電學性能，被廣泛應用于高溫、腐蝕，電子、光學領(lǐng)域。然而液態(tài)金屬材料與陶瓷材料的兼容性一直沒有得到驗證，如何將低粘度的液態(tài)金屬材料與高硬度的陶瓷材料復合，也是一直以來未解決的一項難題。

近日，西北工業(yè)大學孔杰與西安科技大學楊嘉怡合作報道了一種新型可光固化3D打印的液態(tài)金屬陶瓷超材料，該材料具備豐富的介電損耗機制、改善的力學性能以及優(yōu)異的耐高溫性能，通過超結(jié)構(gòu)的設計和3D打印制備，可實現(xiàn)C-X波段全頻覆蓋的優(yōu)異電磁波吸收能力。

相關(guān)論文以 “3D Printing of Liquid-metal-in-ceramic Metamaterials for High-efficient Microwave Absorption” 以題在Adv. Funct. Mater. (2023, 33, 2307499)在線發(fā)表。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202307499


為新型功能化先進陶瓷的研發(fā)提供有益思路
在該工作中，作者利用聚合物轉(zhuǎn)化陶瓷路線成功實現(xiàn)了液態(tài)金屬與SiBOC陶瓷材料的復合。首先制備了一種聚硼硅氧烷陶瓷前驅(qū)體聚合物，利用液態(tài)金屬與液態(tài)硅基聚合物的完美兼容性，將液態(tài)金屬納米顆粒均勻的分散在陶瓷前驅(qū)體內(nèi)，進而利用光固化3D打印實現(xiàn)樹脂的固化成型，得到液態(tài)金屬陶瓷復材素胚，最后在高溫環(huán)境下裂解，即可得到液態(tài)金屬陶瓷復合材料（圖1）。

圖1 液態(tài)金屬陶瓷復合材料的制備路線圖及3D打印前驅(qū)體實物

研究發(fā)現(xiàn)，由于液態(tài)金屬具有獨特的低揮發(fā)性，以及鎵、銦元素與陶瓷前驅(qū)體中Si、B、C元素具有化學惰性，在經(jīng)過800-1200攝氏度裂解后，液態(tài)金屬納米顆粒非但不會以氣態(tài)形式逃離陶瓷體系，也不會與前驅(qū)體中的其他元素反應化合。同時，由于液態(tài)金屬表面氧化層具有IIIA組元素典型的鈍化屬性，因此陶瓷前驅(qū)體中的氧元素也未能對液態(tài)金屬內(nèi)部進行大量消耗。最終，液態(tài)金屬依舊以液態(tài)形式，均勻地分散于陶瓷體系內(nèi)部，形成獨特的液態(tài)金屬陶瓷復合材料（圖2）。

圖2 液態(tài)金屬陶瓷復合材料微相結(jié)構(gòu)示意圖及TEM分析表征

由于液態(tài)金屬在陶瓷內(nèi)部以液態(tài)金屬/氧化層/陶瓷核殼狀態(tài)分布，因此在相同的裂解條件下，引入液態(tài)金屬的陶瓷材料將展現(xiàn)出更強的電磁波損耗性能。此外，得益于SiBOC陶瓷基地本身優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，以及液態(tài)金屬氧化層（Ga2O3）的高溫半導體特性，所制備的液態(tài)金屬陶瓷復材基體能夠在900攝氏度下實現(xiàn)X波段74%頻段的電磁波吸收覆蓋。與此同時，液態(tài)金屬的引入還能有效阻止裂解過程中應力裂紋的擴展，從而提升整體的力學強度（圖3）。

圖3 液態(tài)金屬陶瓷復材的介電特性及電磁波吸收效果表征

進一步，作者利用液態(tài)金屬陶瓷復材與DLP-3D打印技術(shù)的兼容性，設計并制備了一種新型的電磁超結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了C-X波段的寬頻電磁波吸收效果。

圖4 液態(tài)金屬陶瓷復材吸波超材料的設計制備及表征

如圖4，該工作證明了液態(tài)金屬在聚合物轉(zhuǎn)化陶瓷復材的3D打印制備中具備優(yōu)異的兼容性，并且液態(tài)金屬的引入能夠提供改善的電學和力學性能，為新型功能化先進陶瓷的研發(fā)提供有益思路。

作者簡介
第一作者：西北工業(yè)大學博士后邢瑞哲；通訊作者：西北工業(yè)大學孔杰教授、西安科技大學楊嘉怡副教授。
該工作得到國家杰出青年科學基金、國家自然科學基金面上項目、中國博士后科學基金等支持。