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西工大孔杰教授團隊 AFM：光固化3D打印液態金屬-陶瓷寬頻吸波超材料

2023-09-12 來源：高分子科技

液態金屬具有相對較低的熔點，優異的導電、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，例如絲網印刷、倒模、噴墨等等。在制備三維結構材料方面，液態金屬被報道能夠兼容多種3D打印技術例如直接書寫3D打印技術、光固化3D打印技術、激光輔助3D打印技術等。陶瓷材料具有優異的力學、抗氧化、電學性能，被廣泛應用于高溫、腐蝕，電子、光學領域。然而液態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異的耐高溫性能，通過超結構的設計和3D打印制備，可實現C-X波段全頻覆蓋的優異電磁波吸收能力。

在該工作中，作者利用聚合物轉化陶瓷路線成功實現了液態金屬與SiBOC陶瓷材料的復合。首先制備了一種聚硼硅氧烷陶瓷前驅體聚合物，利用液態金屬與液態硅基聚合物的完美兼容性，將液態金屬納米顆粒均勻的分散在陶瓷前驅體內，進而利用光固化3D打印實現樹脂的固化成型，得到液態金屬陶瓷復材素胚，最后在高溫環境下裂解，即可得到液態金屬陶瓷復合材料（圖1）。

圖1 液態金屬陶瓷復合材料的制備路線圖及3D打印前驅體實物

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

圖2 液態金屬陶瓷復合材料微相結構示意圖及TEM分析表征

由于液態金屬在陶瓷內部以液態金屬/氧化層/陶瓷核殼狀態分布，因此在相同的裂解條件下，引入液態金屬的陶瓷材料將展現出更強的電磁波損耗性能。此外，得益于SiBOC陶瓷基地本身優異的高溫穩定性，以及液態金屬氧化層（Ga₂O₃）的高溫半導體特性，所制備的液態金屬陶瓷復材基體能夠在900攝氏度下實現X波段74%頻段的電磁波吸收覆蓋。與此同時，液態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，作者利用液態金屬陶瓷復材與DLP-3D打印技術的兼容性，設計并制備了一種新型的電磁超結構，實現了C-X波段的寬頻電磁波吸收效果。（圖4）該工作證明了液態金屬在聚合物轉化陶瓷復材的3D打印制備中具備優異的兼容性，并且液態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提供有益思路。

圖4 液態金屬陶瓷復材吸波超材料的設計制備及表征

論文以 “3D Printing of Liquid-metal-in-ceramic Metamaterials for High-efficient Microwave Absorption” 為題在Adv. Funct. Mater. (2023, 33, 2307499)在線發表，西北工業大學博士后邢瑞哲為第一作者，西北工業大學孔杰教授、西安科技大學楊嘉怡副教授為通訊作者。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。

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

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（責任編輯：xu）

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