陶瓷前體聚合物光化學與光熱3D打印，低溫條件實現(xiàn)高性能陶瓷件，獲國防部資助

2024年10月，南極熊獲悉，賓夕法尼亞州立大學宣布了一項突破性的激光加工技術(shù)，此技術(shù)有望在較低溫度條件下實現(xiàn)高性能陶瓷的3D打印制造。此項目由賓夕法尼亞州立大學材料科學與工程副教授Robert Hickey和密歇根州立大學教授Michael Hickner共同領導，得到了美國國防部（DoD）通過海軍研究辦公室（ONR）提供的為期五年、總額達450萬美元的多學科大學研究計劃（MURI）資助。


△Robert Hickey

項目背景與目標
項目名為“陶瓷前體聚合物的光化學與光熱增材制造”，旨在開發(fā)一種無需整體加熱即可生產(chǎn)超高溫陶瓷材料的新工藝。當前，陶瓷材料的成型面臨的主要挑戰(zhàn)在于需要高溫和大量能量，這不僅增加了成本，也限制了其在3D打印中的應用。Hickey教授表示：“這一過程一直是阻礙3D打印發(fā)展的主要因素，因為現(xiàn)有的技術(shù)難以確保材料在高溫下的精確度。”

技術(shù)創(chuàng)新點
研究團隊計劃利用光能替代傳統(tǒng)熱能，通過高強度激光引發(fā)化學反應，使聚合物前體分子快速固化成為陶瓷材料。這種方法不僅減少了材料的損耗，還避免了因高溫處理而導致的幾何形狀變化，從而實現(xiàn)了更精準的3D打印。Hickey教授補充道：“我們希望通過這項技術(shù)減少轉(zhuǎn)換或制造這些陶瓷所需的能量，并防止打印和加工過程中出現(xiàn)的重大幾何變化�！�

團隊組成與合作
除了賓夕法尼亞州立大學和密歇根州立大學，該項目還吸引了來自麻省理工學院（MIT）和南加州大學（USC）的頂尖研究人員加入。MURI計劃旨在支持跨學科的研究團隊，針對與國家安全緊密相關的高優(yōu)先級問題開展研究。項目聯(lián)合首席研究員Benjamin Lear教授認為，此次獲得的資金對于組建這樣一支世界級團隊至關重要，成員們擁有獨特的技能組合，并在各自的領域內(nèi)展現(xiàn)出卓越的能力。

潛在影響與展望
此項技術(shù)的成功開發(fā)預計將對國防工業(yè)產(chǎn)生重要影響，尤其是在先進高超音速飛行器的研發(fā)中。通過3D打印技術(shù)制造出能夠在極端環(huán)境下工作的新型陶瓷材料，將為下一代航空航天器的設計打開新的可能性。賓夕法尼亞州立大學機械工程系杰出教授Adri van Duin表示：“該項目不僅會為增材制造陶瓷材料開辟新路徑，還將建立新的計算模型來預測高能反應中間體，這對于設計新的前體材料和加工方案具有重要意義。”

此外，項目組還包括賓夕法尼亞州立大學材料科學與工程學教授Jon-Paul Maria、南加州大學化學工程與材料科學教授Priya Vashishta、計算機科學教授Aiichiro Nakano以及麻省理工學院化學教授Alexander Radosevich等多位專家學者。他們將共同致力于合成新型前體材料，探索促進光基陶瓷轉(zhuǎn)化的方法，并通過計算建模獲得對反應轉(zhuǎn)化途徑的深刻理解，最終實現(xiàn)高性能陶瓷材料的高效、低成本制造。