光固化技术开发核应用3D打印铀结构

2024年6月23日，南极熊获悉，研究人员首次成功利用光固化3D打印技术生产出用于核应用的铀基部件。该工艺利用铀酰阳离子作为光催化剂，用于光聚合增材制造。

相关研究以题为“First Structured Uranium-BasedMonoliths Produced via Vat Photopolymerization for Nuclear Applications/通过大桶光聚合生产的第一个用于核应用的结构化铀基整体”的论文被发表在《Advanced Functional Materials》期刊上，论文由AliceZanini, Pedro Amador Celdran等人联合撰写。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202406916

图1 铀基复合成分合成方案示意图。1) 硝酸铀酰与柠檬酸的络合。2) 使用铀酰-柠檬酸盐复合物、蔗糖和 PEGDA M n 575 制备可光固化的溶胶-凝胶基配方。3) 通过紫外可见光曝光对铀酰-柠檬酸盐复合物进行光活化并通过 DLP 制造。4) 在空气中在 120°C 下进行聚酯化，以形成共价交联网络，其中 U 离子被捕获。5) 在氩气气氛下在1700°C 下进行碳热还原。

图2 通过 DLP 制造铀基组件。a) 打印组件的CAD 模型和光学图像（打印时和在 1700 °C 下烧结24 小时后）：盘状开尔文单元衍生结构（上）和螺旋结构（下）。红色是由于加入了光吸收剂。b) 烧结组件的 CAD 模型（下）和 SEM 图像（上）之间的比较。在更高的放大倍数下，烧结打印支柱中的像素形状清晰可见。

图3 铀酰介导的 PEGDA M n 575 光裂解可引发光聚合过程。a) 建议的机制：1- 通过配体到金属的电荷转移对铀酰-柠檬酸盐复合物进行光活化。2- 通过铀酰自由基复合物的氢提取形成碳基自由基。3- 光聚合过程。b) 可光固化配方和硝酸铀酰水溶液的紫外可见光谱。

图4 U基印刷组件的结构表征。a) XRD 图案和 b) 氩气中 1700°C 下不同烧结时间的拉曼光谱。

图5 打印部件的化学和形态表征。a) 使用二次电子进行碳热还原后的代表性复杂部件的 SEM 图像。b) 在 1700°C 下烧结 24 小时的碳化铀/碳纳米复合材料的 SEM 和 EDX 映射图像。

铀在核物理和放射性药物学中至关重要，由于其复杂的光化学性质，在传统3D 打印制作方法中面临挑战。然而，这项研究强调了一种新的合成方案，将铀酰阳离子整合到可光固化的溶胶-凝胶配方中。该方法将铀酰离子的光化学反应与大桶光聚合技术相结合，特别是数字光处理(DLP)。然后通过碳热还原将所得的 3D 打印结构转化为二碳化铀 (UC2)/碳纳米复合材料。

这项研究表明，增材制造能够制造复杂、微结构的铀组件，并实现精确的几何控制。这些结构在反应堆组件和核燃料结构中具有潜在应用，可充分利用铀碳化物的高铀密度和热性能。DLP 技术具有高分辨率，能够生产具有复杂细节和功能孔隙度的部件。这种孔隙度可以增强核燃料的热机械性能和气体输送。

这项研究为铀在增材制造中的应用开辟了新途径，增强了核材料的设计和功能。该过程证明了直接对铀基材料进行图案化的可行性，为核应用提供了一种创建高保真复杂结构的方法。