【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院李家文教授課題組在高熵陶瓷微納尺度三維打印領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。他們開發(fā)出一種通用且高效的多元陶瓷微納尺度三維打印方法，成功實(shí)現(xiàn)了具有亞微米特征尺寸的多元陶瓷三維結(jié)構(gòu)制造，并制備出超輕、超強(qiáng)特性的高熵陶瓷納米晶格三維超材料。
 

　　該技術(shù)攻克了高熵陶瓷在微納尺度三維成型方面的難題，為多元陶瓷微納器件的開發(fā)與應(yīng)用開辟了新路徑。相關(guān)研究成果以“Lightweight and ultra-strong 3D nano-architected high entropy ceramics metamaterials”為題發(fā)表在《科學(xué)·進(jìn)展》上。工程科學(xué)學(xué)院博士生蔣謨東、博士后李瑞和碩士生李濱兆為論文共同第一作者，李家文教授為通訊作者。
 

　　高熵陶瓷(HECs)通常是由四種及以上等摩爾或近等摩爾比的金屬陽(yáng)離子與非金屬元素(如碳、氮、氧、硼)共同構(gòu)成的新型多組元陶瓷材料。其核心特征在于利用顯著的高熵效應(yīng)穩(wěn)定單一晶體結(jié)構(gòu)，結(jié)合晶格畸變效應(yīng)、緩慢擴(kuò)散效應(yīng)和雞尾酒效應(yīng)，能夠突破傳統(tǒng)陶瓷的性能限制，展現(xiàn)出優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性、抗氧化與耐腐蝕性、超高的硬度與斷裂韌性，在熱障涂層、核能材料、催化劑和耐磨部件等極端環(huán)境應(yīng)用中潛力巨大。然而，目前高熵陶瓷的研究多集中于粉末、塊體及涂層等形態(tài)，如何實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜三維形貌、尤其是百納米級(jí)特征尺寸的高精度陶瓷結(jié)構(gòu)，仍是制約其在微納光子器件、微機(jī)電系統(tǒng)與高性能機(jī)械超材料等前沿領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。
 

圖1 高熵陶瓷微納三維結(jié)構(gòu)制備方法
 

　　李家文課題組首先開發(fā)了一種基于酸堿中和反應(yīng)的光刻膠合成策略，無需有機(jī)溶劑與交聯(lián)劑，即可制備出超過15種完全透明的光敏金屬丙烯酸酯，其陶瓷成分負(fù)載量高達(dá)70%，并具備優(yōu)異的光學(xué)透明度。再通過飛秒激光雙光子聚合成形和燒結(jié)處理工藝，成功實(shí)現(xiàn)了全致密、高形狀保真度和優(yōu)異力學(xué)性能的微納三維陶瓷結(jié)構(gòu)(圖1)。利用該技術(shù)，課題組成功制備出特征尺寸低至150納米的全致密高熵陶瓷納米晶格，首次將高熵效應(yīng)引入微納三維結(jié)構(gòu)陶瓷，并通過誘導(dǎo)高密度位錯(cuò)顯著增強(qiáng)了材料強(qiáng)度與韌性。
 

　　測(cè)試結(jié)果顯示，該高熵陶瓷納米晶格展現(xiàn)出超越1GPag?¹cm³的超高比強(qiáng)度、高達(dá)230MJm?³的能量吸收能力以及卓越的斷裂韌性(圖2)。該研究為探索多組分結(jié)構(gòu)陶瓷微納器件的制造，尤其是高熵陶瓷在微納機(jī)電系統(tǒng)與航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了全新解決方案。
 

圖2 高熵陶瓷納米晶格具有良好的力學(xué)性能
 

　　近年來，李家文課題組致力于玻璃、陶瓷和金屬等材料的微納尺度三維打印研究。基于雙光子成形和燒結(jié)工藝，已成功開發(fā)出一系列高質(zhì)量玻璃光學(xué)微器件，包括單層透鏡、雙層透鏡、菲涅爾波帶片和復(fù)眼等。為實(shí)現(xiàn)玻璃微器件低溫集成，課題組進(jìn)一步開發(fā)出富含二氧化硅納米顆粒的無交聯(lián)劑樹脂，通過雙光子聚合技術(shù)和低溫?zé)Y(jié)工藝(650℃)，制備出具有低線性收縮率(~5%)的玻璃微光學(xué)器件，并成功實(shí)現(xiàn)了玻璃微透鏡在光纖端面上的原位低溫集成(圖3)[ACS Nano 19, 31643−31655 (2025)]。此外，課題組還實(shí)現(xiàn)了具有亞微米特征尺寸的氧化鎂透明陶瓷的制造[ACS Nano, 19, 19318-19327 (2025)]，并完成了多種金屬微納結(jié)構(gòu)的三維成形[Nano Letters 25, 8294−8302(2025); Lab on a Chip 24, 832-842(2024)]。
 

圖3 玻璃微納三維打?。?a)微光學(xué)器件，(b)低溫制備低收縮率玻璃微結(jié)構(gòu)
 

　　上述工作合作者包括精密機(jī)械與精密儀器系微納米工程實(shí)驗(yàn)室褚家如教授、吳東教授、胡衍雷教授、陳楊特任教授、倪勁成特任教授以及近代力學(xué)系吳恒安教授、張忠教授和汪國(guó)睿特任教授等。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室自主部署項(xiàng)目、安徽省重大科技專項(xiàng)、合肥市自然科學(xué)基金、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基金等項(xiàng)目的支持。