北工大硬質(zhì)合金：可塌縮基質(zhì)輔助數(shù)字光處理實現(xiàn)硬質(zhì)合金高精度打印

金屬陶瓷復(fù)合材料具有優(yōu)異的物理與機械性能，被廣泛應(yīng)用于鉆井、建筑、航空航天、工業(yè)制造等領(lǐng)域。特別是隨著電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，精密金屬陶瓷復(fù)合材料微鉆在電路板加工中扮演著越來越重要的角色。然而，由于金屬陶瓷復(fù)合材料天然的硬脆性，其精細加工具有很大挑戰(zhàn)。因此，尋找可代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械方法制備高精度金屬陶瓷復(fù)合材料器件的方法具有重要價值。

增材制造作為一種新興的可近凈成形加工技術(shù)有望在金屬陶瓷復(fù)合材料精密加工領(lǐng)域產(chǎn)生重要應(yīng)用。近年來，已有數(shù)種代表性方法被成功開發(fā)，如基于選擇性激光熔覆、選擇性激光燒結(jié)、熔絲擠出、粘結(jié)劑噴射等制備金屬陶瓷復(fù)合材料器件。然而，受限于能量源或打印噴頭的物理尺寸，以上方法均只能達到百微米左右的成型精度，進行更高精度的樣品加工仍面臨困難。

動態(tài)光處理（DLP）技術(shù)是一種多用途3D打印方法，具有打印條件溫和、打印精度高（微米級）等眾多優(yōu)勢。將其應(yīng)用于金屬陶瓷復(fù)合材料的增材制造有望突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸。然而，金屬陶瓷復(fù)合材料粉末具有極強的光吸收能力，在反應(yīng)原理層面難以兼容利用平面光照固化高分子基漿料的DLP技術(shù)。

針對上述難題，來自北京工業(yè)大學的研究人員創(chuàng)造性地提出了一種可塌縮基質(zhì)輔助的DLP打印方法，以WC-Co硬質(zhì)合金為例，展示了如何在DLP模式中兼顧對具有強烈光吸收特性漿料的高精度固化與坯體致密化，從而拓展了可應(yīng)用DLP加工成型的材料類型，為后續(xù)先進功能器件的制造提供了重要借鑒。該工作以“High-Precision Printing of Cermets by Collapsable Matrix Assisted Digital Light Processing”為題發(fā)表在材料學頂刊《Small》上（Small, DOI: 10.1002/smll.202404791）。文章*作者是北京工業(yè)大學碩士生單宇鵬，共同通訊作者是北京工業(yè)大學趙治教授與宋曉艷教授。該研究得到國家自然科學基金的支持。

采用可塌縮基質(zhì)輔助的DLP模式進行硬質(zhì)合金高精度打印的原理如圖1所示。在打印成形階段，該基質(zhì)占有較大的體積分數(shù)，可以有效間隔WC-Co粉末，保證光固化反應(yīng)的順利進行。在生坯成形之后，改變環(huán)境條件，響應(yīng)性基質(zhì)自動脫除大部分有機物，同時剩余聚合物分子自發(fā)收縮并擠壓WC-Co粉末，使生坯中硬質(zhì)合金粉末緊密堆積，完成初步致密化。熱燒結(jié)后，生坯中殘余的有機物能夠很容易地被去除，實現(xiàn)二次致密化，從而得到致密產(chǎn)品。從顯微與電鏡表征可以看出，打印坯體中WC-Co粉末的體積占比與團聚情況完全符合預(yù)期。紅外光譜顯示通過處理可塌縮基質(zhì)中的犧牲性組分（PEG）可以被完全去除。

對已完成初步致密化的生坯可繼續(xù)通過熱處理獲得*終樣品。為提升燒結(jié)效果，首先通過熱重分析得到坯體參與有機物的分解曲線，進而根據(jù)有機物熱分解溫度優(yōu)化燒結(jié)工藝，使得其平穩(wěn)氣化，降低氣體膨脹對樣品的損傷。結(jié)果顯示燒結(jié)后產(chǎn)物的致密度可達90%以上，為已知低溫硬質(zhì)合金打印*佳結(jié)果之一。同時，樣品的顯微硬度與楊氏模量分別可達14.5 GPa 與 254.0 GPa，與以往3D打印硬質(zhì)合金產(chǎn)品相當（圖2）。

利用上述方法可有效提升金屬陶瓷復(fù)合材料的打印精度，測試顯示打印線寬可低至10微米。系列精細結(jié)構(gòu)，如毫米級蜂巢結(jié)構(gòu)、北工大�；铡⑽�鉆等均已通過本方法成功制備。其中燒結(jié)后的微鉆樣品無需其他處理，可直接用于PCB電路板鉆孔，展示了本方法的實際應(yīng)用潛力（圖3）。

圖1利用可塌縮基質(zhì)輔助的DLP模式進行硬質(zhì)合金高精度打印

圖2打印坯體的燒結(jié)工藝與產(chǎn)物表征

圖3利用本研究方法進行的高精度硬質(zhì)合金打印與應(yīng)用測試