北工大硬質合金：可塌縮基質輔助數字光處理實現硬質合金高精度打印

金屬陶瓷復合材料具有優(yōu)異的物理與機械性能，被廣泛應用于鉆井、建筑、航空航天、工業(yè)制造等領域。特別是隨著電子信息技術的不斷發(fā)展，精密金屬陶瓷復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有望在金屬陶瓷復合材料精密加工領域產生重要應用。近年來，已有數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、熔絲擠出、粘結劑噴射等制備金屬陶瓷復合材料器件。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。將其應用于金屬陶瓷復合材料的增材制造有望突破現有技術瓶頸。然而，金屬陶瓷復合材料粉末具有極強的光吸收能力，在反應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。

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輔助的DLP打印方法，以WC-Co硬質合金為例，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。

采用可塌縮基質輔助的DLP模式進行硬質合金高精度打印的原理如圖1所示。在打印成形階段，該基質占有較大的體積分數，可以有效間隔WC-Co粉末，保證光固化反應的順利進行。在生坯成形之后，改變環(huán)境條件，響應性基質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，使生坯中硬質合金粉末緊密堆積，完成初步致密化。熱燒結后，生坯中殘余的有機物能夠很容易地被去除，實現二次致密化，從而得到致密產品。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期。紅外光譜顯示通過處理可塌縮基質中的犧牲性組分（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，進而根據有機物熱分解溫度優(yōu)化燒結工藝，使得其平穩(wěn)氣化，降低氣體膨脹對樣品的損傷。結果顯示燒結后產物的致密度可達90%以上，為已知低溫硬質合金打印*佳結果之一。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打印硬質合金產品相當（圖2）。

利用上述方法可有效提升金屬陶瓷復合材料的打印精度，測試顯示打印線寬可低至10微米。系列精細結構，如毫米級蜂巢結構、北工大校徽、微鉆等均已通過本方法成功制備。其中燒結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用潛力（圖3）。

圖1利用可塌縮基質輔助的DLP模式進行硬質合金高精度打印

圖2打印坯體的燒結工藝與產物表征

圖3利用本研究方法進行的高精度硬質合金打印與應用測試