麻省理工學(xué)院研究人員破解玻璃3D打印難題——新技術(shù)可在低溫下打印無機(jī)復(fù)合玻璃

2025年6月19日，南極熊獲悉，麻省理工學(xué)院林肯實驗室宣稱，研究人員已開發(fā)出一種新型低溫3D玻璃打印技術(shù)，有望顯著拓展玻璃基器件在微流控、光學(xué)及高溫電子等專業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。這種新技術(shù)無需傳統(tǒng)高溫處理，極大簡化了工藝流程，提升了材料兼容性及制造靈活性。

破解玻璃3D打印難題

與傳統(tǒng)方法不同，后者需要極高的溫度來熔化玻璃并進(jìn)行定型，同時還需要對最終產(chǎn)品進(jìn)行退火處理以消除內(nèi)部應(yīng)力。相比之下，新技術(shù)不僅能夠降低生產(chǎn)過程中的溫度要求，還能打印出傳統(tǒng)制造方法無法實現(xiàn)的復(fù)雜玻璃結(jié)構(gòu)。

△玻璃3D打印工藝的流程

此次技術(shù)突破的核心在于精確的直接墨水書寫（DIW）工藝，配合定制化多材料墨水配方。與傳統(tǒng)3D打印常用的塑料或金屬材料相比，林肯實驗室采用無機(jī)復(fù)合玻璃，實現(xiàn)了優(yōu)異的結(jié)構(gòu)、化學(xué)及熱穩(wěn)定性。尤為重要的是，該方法無需超過1000°C的高溫?zé)�結(jié)，而是在僅250°C的礦物油浴中完成固化，大幅降低了能耗和設(shè)備要求。

這種新型墨水由常見無機(jī)材料（如硅酸鹽溶液、金屬氧化物及功能陶瓷納米顆粒）制成，形成可控流變性的懸浮液。通過直接墨水書寫技術(shù)，研究人員能夠在室溫下實現(xiàn)高精度結(jié)構(gòu)打印。成型后，打印件經(jīng)過短時低溫油浴固化，隨后以有機(jī)溶劑清洗，最終獲得堅固的全無機(jī)二氧化硅結(jié)構(gòu)。

△定制油墨概述：通過硅酸鹽油墨與二氧化硅顆粒在室溫下的反應(yīng)，可以形成一種堅硬的硅酸鹽/二氧化硅玻璃復(fù)合材料

新技術(shù)可在低溫下打印無機(jī)復(fù)合玻璃

測試結(jié)果顯示，這種工藝打印的玻璃組件具有極低的收縮率、出色的幾何保真度和良好的熱穩(wěn)定性。即使在高溫環(huán)境下，打印件仍能保持完整性及銳利的結(jié)構(gòu)特征，滿足自由曲面光學(xué)元件、緊湊型微流控芯片及高溫電子絕緣基板等高端應(yīng)用需求。

除了幾何形狀之外，新的墨水配方具備高度可定制性。由于該墨水是基于復(fù)合材料的，林肯實驗室的研究人員可以根據(jù)特定的光學(xué)、電氣或化學(xué)要求進(jìn)行定制。這種靈活性為設(shè)計新型玻璃基組件打開了大門，這些組件的功能超越了單純的結(jié)構(gòu)。目前，研究人員正在開展研究，以提高光學(xué)清晰度、減少散射，并在玻璃基質(zhì)中引入導(dǎo)電或半導(dǎo)體通路。

值得一提的是，所用原材料均為常規(guī)易得的無機(jī)前驅(qū)體，且無需昂貴的高溫窯爐，顯著降低了制造成本和技術(shù)門檻。這種創(chuàng)新方法不僅消除了3D打印玻璃在小批量、定制化領(lǐng)域的應(yīng)用障礙，而且為將玻璃3D打印技術(shù)引入主流制造流程打下了基礎(chǔ)。