淺談3D打印透明玻璃技術

【中玻網】玻璃是一種在多個領域具有重要作用的材料，不過傳統的玻璃加工技術無法制造具有特定亞微米結構的玻璃材料。3D打印技術有望用于定制具有高精度結構的玻璃制品。

　　在這篇文章中，作者使用兩步法制備具有亞微米3D結構的透明玻璃制品。首先，使用直寫成型（DIW）3D打印技術構建具有特定結構的生坯。直寫成型是一種通過程序控制噴嘴將剪切稀化的油墨逐層組裝的工藝，在這里油墨為膠體二氧化硅，這之中較重要的是控制墨水的屈服應力和剪切稀化性質以使其適應所需玻璃的應用需求。之后，經干燥和高溫燒結過程，形成致密、無定型、透明的玻璃材料。相比于直接使用熔融玻璃3D打印，這種方法避免在3D打印過程中使用高溫條件，并且由于打印絲較細、高溫燒結后結構收縮，因而能形成更加精細的結構。

　　圖1 3D打印玻璃的過程

　　具體來說，作者將親水的氣相二氧化硅/四乙二醇二甲醚懸浮液作為3D打印油墨，其中氣相二氧化硅同時作為玻璃的二氧化硅源和觸變劑，四乙二醇二甲醚對氣相二氧化硅具有良好的分散性，另外其高沸點有助于精細控制干燥過程；此外油墨中加入羥基中止的聚二甲基硅氧烷（PDMS）以強化材料結構、提高干燥過程的抗裂性。

　　圖2 二氧化硅墨水的流變學特性

　　作者還調整優化了干燥和高溫燒結過程。生坯經100°C，110h干燥，這一低溫干燥條件有利于提高生坯強度、避免開裂；之后經600°C熱處理以燒掉所有農業生產體系殘留，若無此步驟則農業生產體系殘留會被束縛在玻璃中，從而降低玻璃質量。較后，經1500°C，3min的燒結過程，生坯變為全致密、透明的玻璃材料。

　　圖3 熱處理工藝

　　作者展示了這種技術可以用來制備多種玻璃材料，包括塊體玻璃，亞微米支架結構，玻璃基微流控元件（初次制備得到），多組分玻璃結構等。作者指出，一些3D打印領域的新技術或可應用于這種3D打印玻璃技術，比如使用組分混合技術可得到具有梯度組分的玻璃材料，其具有可調的光學和機械性能。