西工大孔杰教授团队：光固化3D打印液态金属-陶瓷宽频吸波超材料

液态金属具有相对较低的熔点，优异的导电、导热能力，因此在电学器件应用中具有巨大潜力。液态金属的低粘度特性也使得其能够适用于各种加工手段，例如丝网印刷、倒模、喷墨等等。在制备三维结构材料方面，液态金属被报道能够兼容多种3D打印技术例如直接书写3D打印技术、光固化3D打印技术、激光辅助3D打印技术等。陶瓷材料具有优异的力学、抗氧化、电学性能，被广泛应用于高温、腐蚀，电子、光学领域。然而液态金属材料与陶瓷材料的兼容性一直没有得到验证，如何将低粘度的液态金属材料与高硬度的陶瓷材料复合，也是一直以来未解决的一项难题。

近日，西北工业大学孔杰与西安科技大学杨嘉怡合作报道了一种新型可光固化3D打印的液态金属陶瓷超材料，该材料具备丰富的介电损耗机制、改善的力学性能以及优异的耐高温性能，通过超结构的设计和3D打印制备，可实现C-X波段全频覆盖的优异电磁波吸收能力。

相关论文以 “3D Printing of Liquid-metal-in-ceramic Metamaterials for High-efficient Microwave Absorption” 以题在Adv. Funct. Mater. (2023, 33, 2307499)在线发表。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202307499


为新型功能化先进陶瓷的研发提供有益思路
在该工作中，作者利用聚合物转化陶瓷路线成功实现了液态金属与SiBOC陶瓷材料的复合。首先制备了一种聚硼硅氧烷陶瓷前驱体聚合物，利用液态金属与液态硅基聚合物的完美兼容性，将液态金属纳米颗粒均匀的分散在陶瓷前驱体内，进而利用光固化3D打印实现树脂的固化成型，得到液态金属陶瓷复材素胚，最后在高温环境下裂解，即可得到液态金属陶瓷复合材料（图1）。

图1 液态金属陶瓷复合材料的制备路线图及3D打印前驱体实物

研究发现，由于液态金属具有独特的低挥发性，以及镓、铟元素与陶瓷前驱体中Si、B、C元素具有化学惰性，在经过800-1200摄氏度裂解后，液态金属纳米颗粒非但不会以气态形式逃离陶瓷体系，也不会与前驱体中的其他元素反应化合。同时，由于液态金属表面氧化层具有IIIA组元素典型的钝化属性，因此陶瓷前驱体中的氧元素也未能对液态金属内部进行大量消耗。最终，液态金属依旧以液态形式，均匀地分散于陶瓷体系内部，形成独特的液态金属陶瓷复合材料（图2）。

图2 液态金属陶瓷复合材料微相结构示意图及TEM分析表征

由于液态金属在陶瓷内部以液态金属/氧化层/陶瓷核壳状态分布，因此在相同的裂解条件下，引入液态金属的陶瓷材料将展现出更强的电磁波损耗性能。此外，得益于SiBOC陶瓷基地本身优异的高温稳定性，以及液态金属氧化层（Ga2O3）的高温半导体特性，所制备的液态金属陶瓷复材基体能够在900摄氏度下实现X波段74%频段的电磁波吸收覆盖。与此同时，液态金属的引入还能有效阻止裂解过程中应力裂纹的扩展，从而提升整体的力学强度（图3）。

图3 液态金属陶瓷复材的介电特性及电磁波吸收效果表征

进一步，作者利用液态金属陶瓷复材与DLP-3D打印技术的兼容性，设计并制备了一种新型的电磁超结构，实现了C-X波段的宽频电磁波吸收效果。

图4 液态金属陶瓷复材吸波超材料的设计制备及表征

如图4，该工作证明了液态金属在聚合物转化陶瓷复材的3D打印制备中具备优异的兼容性，并且液态金属的引入能够提供改善的电学和力学性能，为新型功能化先进陶瓷的研发提供有益思路。

作者简介
第一作者：西北工业大学博士后邢瑞哲；通讯作者：西北工业大学孔杰教授、西安科技大学杨嘉怡副教授。
该工作得到国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金面上项目、中国博士后科学基金等支持。