文献热点丨南科大葛锜/王荣团队实现高精度陶瓷超构透镜DLP打印_质多三维

【研究背景】

随着5G、毫米波通信和太赫兹通信等高频通信技术的快速发展，对天线性能提出了更高要求，尤其是在增益、带宽与小型化方面。梯度折射率超构透镜因其无需复杂馈电网络即可实现高增益波束辐射，逐渐成为研究热点。

陶瓷材料具有高介电常数、低介电损耗、优异的机械性能和环境稳定性，是制造高频超构透镜的理想材料。数字光处理3D打印技术因其高分辨率和大成型尺寸，适合制造结构复杂的陶瓷器件。然而，陶瓷颗粒对紫外光的散射效应严重影响了打印精度，尤其在W波段（75–110 GHz）中，单元结构尺寸小至微米级，对制造工艺提出了极高要求。

【文章简介】

近日，来自南方科技大学的葛锜/王荣团队在《International Journal of Extreme Manufacturing》（影响因子：21.35，题为《Digital light processing 3D printing of ceramics for W-band gradient refractive index metalens》）上发表了最新研究。本研究提出了一种基于DLP 3D打印技术制备陶瓷梯度折射率超构透镜的方法，通过优化陶瓷浆料配方并引入尺寸补偿策略，显著提升了打印精度。研究人员结合几何光学与S参数反演法，设计了包含Y形和圆孔两种亚波长单元结构的超构透镜，最小特征尺寸为160 μm。最终制备出的陶瓷超构透镜在W波段表现出优异的辐射性能：最大增益提升达18.4 dBi，波束偏转角度为±30°，相对带宽达37.84%，展现出在高频通信中的潜在应用价值。该陶瓷超构透镜通过质多三维MultiMatter系列光固化3D打印装备研制。

【图文导读】

如图1-2所示，研究中制备了以Al₂O₃为主体、添加光吸收剂Sudan Orange G的陶瓷浆料。通过光流变实验发现，适量光吸收剂的加入可延迟凝胶时间，提升打印可控性。打印过程中，过度固化效应导致线宽和固化深度偏离设计值，通过系统调整曝光能量与浆料成分，显著减小了尺寸偏差。

图1. 陶瓷GRIN超构透镜的制备流程示意图

图2. 浆料的流变与光固化性能

本次研究系统评估了打印过程中的过度固化效应。图3(a)和(b)显示，随着曝光能量增加，水平方向的线宽偏差增大，而添加光吸收剂可显著减小此偏差。图3(c)和(d)则表明，光吸收剂同样能有效控制垂直方向的固化深度，避免过度穿透。

图3. 陶瓷浆料的固化与过度固化效应评估

为校正打印过程中因过度固化引起的尺寸偏差，研究团队提出了针对圆孔（如图4所示）和薄壁结构（如图5所示）的尺寸补偿方法。通过预先调整设计尺寸，使得打印后的实际尺寸更接近目标值，最终将尺寸偏差控制在30 μm以内。

图4. 圆形孔的尺寸补偿设计与实测结果

图5. 薄壁结构的尺寸补偿设计与实测结果

如图6示，打印后的生坯经过在氩气气氛中分段升温脱脂，以及在空气中1600°C烧结，最终获得致密的Al₂O₃陶瓷件。XRD分析显示烧结前后均为α-Al₂O₃相，相对密度达95.5%，有利于降低介电损耗。

图6 热重分析与烧结工艺曲线

基于离散化折射率分布，设计了由20个同心环组成的平面超构透镜（如图7所示）。经过微观结构表征，该平面超构透镜从打印的生坯（图8a）、脱脂后（图8b）到烧结后的最终白色陶瓷件（图8c）。SEM图像清晰显示了烧结后复现良好的圆孔（图8g）和Y形（图8h）单元结构。图8(i)的尺寸对比表明，经补偿后所有单元的实际尺寸与设计值偏差均在30 μm以内。