透射率接近理论极限的透明尖晶石的3D打印

供稿人：王成玉 鲁中良
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

镁铝尖晶石透明度高、力学性能好、熔点高、热膨胀系数小和抗化学腐蚀能力强，在光学领域应用广泛。传统模压、注射成型或注浆成型工艺只能制造出形状简单的尖晶石，对于特殊用途的复杂形状尖晶石，南洋理工大学的Haomin Wang[1]等人利用SLA技术成形素坯、热等静压（HIP）后处理制备出高透明度、高精度的镁铝尖晶石。

图1 不同含量分散剂浆料对尖晶石透明度的影响

为保证尖晶石透明度需制备均质素坯，使用平均粒径在50纳米的超细、超纯纳米颗粒配制打印浆料，目的是降低紫外光的散射和提高打印精度，但是浆料的状态取决于分散剂的含量，分散剂不足会导致颗粒团聚，引起沉淀，在素坯中引起团聚和孔隙，烧结后出现白点（如图1A-C），而分散剂充足会抑制颗粒团聚，颗粒分布均匀，紧密堆积，颗粒之间的孔隙在纳米尺度，烧结后的尖晶石呈现晶体透明性（如图1D-F）。

由于尖晶石烧结温度区域很小，预烧结和热等静压工艺对透明度起到最重要的作用。1600℃预烧结的尖晶石中大部分晶体间开气孔在1650℃烧结时消除（如图2A-B），其相对密度达到95%。当预烧结温度增加50℃时（如1700℃），发生异常晶粒长大，形成闭气孔，高温高压很难去除（如图2C）。热等静压工艺中压力设定在180MPa，温度由1700℃升至1800℃，纳米尖晶石颗粒的烧结活性非常高，获得致密尖晶石，其逐渐有不透明变为透明（如图2D-F）。

图2 不同预烧结温度和热等静压温度中气孔的变化情况

3D打印尖晶石在波长1550nm的光下透射率约为84.8%，达到理论极限透射率（约为87%）的97%，打印精度在100-200μm，显微硬度达到13.5GPa，在800-1100℃下仍可以保持透明，具有良好的光学成像能力，在特殊用途的光学领域前景广泛。

参考文献：
Wang HM ,Liu LY , Ye PC , Huang ZY , Ng AYR , Du ZH , Dong ZL, Tang DY , Gan CL. 3D Printing of Transparent Spinel Ceramics with Transmittance Approaching the Theoretical Limit[J]. Advanced Materials, 2021.