CN103802315B

CN103802315B - 一种3d打印制备光子晶体的方法

Info

Publication number: CN103802315B
Application number: CN201310754514.1A
Authority: CN
Inventors: 杜学敏; 吴天准
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2033-12-31
Also published as: CN103802315A

Abstract

本申请公开了一种3D打印制备光子晶体的方法。在本申请的具体实施方式中，由于使用单分散胶体颗粒制备用于3D打印的高分子原材料，将光子晶体的三维实体模型分层成多个二维图形，在基底上依次逐层打印二维图形，并逐层固化，可以制备得到介电比高或具有合适网络拓扑结构的三维光子晶体。本申请较之现有的光子晶体制备法，不仅快捷便利、设备投资成本低、工艺简单、节能环保、耗时短，且制备光子晶体的三维结构形貌多样化、广泛化，是未来制备特殊用途光子晶体的理想方式。本申请可以实现批量生产，所制备的光子晶体可以广泛应用与光学器件、组织培养支架、超疏液表面、防伪标识、饰物等科学研究、生活等领域，具有非常广阔的市场前景。

Description

一种3D打印制备光子晶体的方法

技术领域

本申请涉及光子晶体制备领域，尤其涉及一种3D打印制备光子晶体的方法。

背景技术

近年来，通过模拟蓝蝶的翅膀、火山蛋白石等自然界的微纳米结构，人们利用精密加工法、胶体自组装法等成功研制了一维、二维、三维光子晶体。所述的一维、二维光子晶体的制备方法技术已经相当成熟，而且相关产品印已经广泛应用。三维光子晶体的制备远远落后于一维和二维光子晶体的制备，即使在半导体工业中也没有可以借鉴的方法来制造三维光子晶体。最近，一些课题组发展处一些较有效的方法制备三维光子晶体，例如通过层层堆积法制备木料堆结构，或利用单分散微球通过自组装法制备三维规则结构，然而利用这种方法却很耗时，而且工艺过程也很复杂。2006年J. Moon课题组首次利用喷墨打印机制备了具有鲜艳颜色的光子晶体微阵列，但其打印也仅限于在二维空间实行，而且难以制备得到介电比高或具有合适网络拓扑结构的三维光子晶体。

发明内容

本申请要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种3D打印制备光子晶体的方法。

本申请要解决的技术问题通过以下技术方案加以解决：

一种3D打印制备光子晶体的方法，包括：

使用单分散胶体颗粒制作用于3D打印的高分子原材料；

绘制光子晶体的三维实体模型；

对所述三维实体模型进行切片分层，将所述三维实体模型分成多个二维图形；

使用所述高分子原材料，在基底上依次逐层打印所述二维图形，并逐层固化，制得所述光子晶体。

上述方法中，所述使用单分散胶体颗粒制作用于3D打印的高分子原材料，具体包括：

使所述单分散胶体颗粒分散于溶剂中，所述制得单分散胶体颗粒的悬浮液；

将所述悬浮液、丙烯酸酯类单体和固化剂混合，混合制得所述高分子原材料。

上述方法中，所述单分散胶体颗粒包括聚苯乙烯微球、聚甲基丙烯酸甲酯微球、二氧化硅微球、二氧化钛微球、四氧化三铁微球、氧化铁微球、金微球、银微球中的一种或两种以上的组合，或聚苯乙烯微球、聚甲基丙烯酸甲酯微球、二氧化硅微球、二氧化钛微球、四氧化三铁微球、氧化铁微球、金微球、银微球的改性微球或复合微球中的一种或两种以上的组合。

上述方法中，所述丙烯酸酯类单体包括可紫外聚合的丙烯酸酯类单体和可加热聚合的丙烯酸酯类单体，所述固化剂包括紫外固化剂和热固化剂。

上述方法中，所述可紫外固化的丙烯酸酯类单体包括聚乙二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯或乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯。

上述方法中，所述紫外固化剂包括二苯甲酮（BP）、Ingacure 2959、Ingacure 2100或2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮。

上述方法中，所述单分散胶体颗粒与所述悬浮液的重量与体积百分浓度为1～90%。

上述方法中，所述悬浮液与所述高分子原材料的体积百分比浓度为20～40%，所述丙烯酸酯类单体与所述高分子原材料的体积百分比浓度为5～15%，所述交联固化剂与所述高分子原材料的质量百分比为0.5～1.5 wt%。

上述方法中，所述基底包括特氟龙板、经特氟龙表面处理后的玻片或经特氟龙表面处理后的硅片。

上述方法中，所述三维实体模型切片后，每层的厚度为10～100µm。

由于采用了以上技术方案，使本申请具备的有益效果在于：

在本申请的具体实施方式中，由于使用单分散胶体颗粒制作用于3D打印的高分子原材料，将光子晶体的三维实体模型分层成多个二维图形，在基底上依次逐层打印二维图形，并逐层固化，可以制备得到介电比高或具有合适网络拓扑结构的三维光子晶体。本申请较之现有的光子晶体制备法，不仅快捷便利、设备投资成本低、工艺简单、节能环保、耗时短，且制备光子晶体的结构形貌更加多样化、广泛化，是未来制备特殊用途光子晶体的理想方式。本申请可以实现批量生产，所制备的光子晶体可以广泛应用于光学器件、组织培养支架、超疏液表面、防伪标识、饰物等科学研究、生活等领域，具有非常广阔的市场前景。

附图说明

图1为本申请的方法在一种实施方式中的流程图；

图2为本申请的方法在一种实施方式中打印出的三维光子晶体实体模型；

图3为本申请的方法在另一种实施方式中打印出的“金字塔群”式的三维光子晶体实体模型。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本申请作进一步详细说明。

如图1所示，本申请的3D打印制备光子晶体的方法，其一种实施方式，包括以下步骤：

步骤102：使用单分散胶体颗粒制作用于3D打印的高分子原材料；

步骤104：绘制光子晶体的三维实体模型；

步骤106：对三维实体模型进行切片分层，将三维实体模型分成多个二维图形；本申请的步骤顺序并不唯一，步骤102也可放在本步骤之后。

步骤108：使用高分子原材料，在基底上依次逐层打印二维图形，并逐层固化，制得光子晶体。

本申请的3D打印制备光子晶体的方法，其另一种实施方式，包括以下步骤：

步骤202：使单分散胶体颗粒分散于溶济中，制得单分散胶体颗粒的悬浮液。

该溶剂选自水、甲醇、乙醇、丙酮、正己烷、二氯甲烷、三氯甲烷、甲苯、四氢呋喃、二氯乙烷、丙醇、异丙醇中的一种或是二种以上的混合。单分散胶体颗粒包括聚苯乙烯微球、聚甲基丙烯酸甲酯微球、二氧化硅微球、二氧化钛微球或四氧化三铁微球。单分散胶体颗粒与悬浮液的重量与体积百分浓度为1～90%（w/v）。

步骤204：将悬浮液、丙烯酸酯类单体和固化剂混合，混合制得高分子原材料。混合的方法可以有多种，在一种实施方式中，可采用超声混合，将混合液超声直至产生结构色。

丙烯酸酯类单体包括可紫外聚合的丙烯酸酯类单体和可加热聚合的丙烯酸酯类单体，固化剂包括紫外固化剂和热固化剂。其中可紫外固化的丙烯酸酯类单体包括聚乙二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、不饱和聚酯、环氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、聚醚丙烯酯、纯丙烯酸树脂、环氧树脂、有机硅低聚物中的一种或两种以上的组合。紫外固化剂包括二苯甲酮（BP）、Ingacure2959、Ingacure 2100或2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮。

悬浮液与高分子原材料的体积百分比浓度为20～40%（v/v），丙烯酸酯类单体与高分子原材料的体积百分比浓度为5～15%（v/v），固化剂与高分子原材料的质量百分比为0.5～1.5 wt%。

步骤206：绘制光子晶体的三维实体模型。可使用CAD或3D Max等制图软件绘制光子晶体的三维实体模型。

步骤208：对三维实体模型进行切片分层，将三维实体模型分成多个二维图形。

在一种实施方式中，三维实体模型可以切成等厚度的多个二维图形，每层的厚度可以为10～100µm。

步骤210：对二维图形进行激光扫描。激光扫描的速度为0.1～1000mm/s。

步骤212：使用高分子原材料，根据扫描后的图形在基底上依次逐层打印二维图形，并逐层固化，制得光子晶体。

基底包括特氟龙板、经特氟龙表面处理后的玻片或经特氟龙表面处理后的硅片。固化的方式可使用紫外固化或热固化。

打印机通过读取生成的二维图形信息，然后将这些二维图形逐层打印出来。打印时先对轮廓线内区域进行平行打印，打印间距为10µm～100µm，再沿轮廓线进行打印，打印速度为0.1mm/s～1000mm/s。在一种实施方式中，可在打印过程中开启紫外固化灯进行固化，紫外固化强度为100 W/cm²～400 W/cm²，固化时间为10s～120min。

步骤214：清除废料，取出打印的光子晶体。

图2为本申请的方法打印出的三维光子晶体实体模型，该光子晶体由弹簧形貌的材料规整堆积而成。图3为本申请的方法以混有可光固化树脂的胶体粒子打印出来的“金字塔群”式的三维光子晶体实体模型。

因为传统的方法制备光子晶体，比较难以根据需要引入特定的介电材料，往往得到的光子晶体介电比低，而通过本申请的3D打印制备光子晶体的方法，引入原材料介电常数高的材料打印制备光子晶体，就可以得到介电比高的三维光子晶体。

实施例：

制作用于3D打印的高分子原材料：将浓度为50%（w/v）的二氧化硅胶体粒子分散于乙醇中，得到含有胶体粒子的乙醇悬浮液，取一定量的该悬浮液与乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（ETPTA）单体和2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮（HMPP）紫外固化剂混合，使得该混合液中二氧化硅胶体粒子的浓度为30% （v/v），乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯浓度为10%（v/v），2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮浓度为1.5 wt%，然后将混合体系超声直至产生结构色。

3D打印：使用3D Max作图软件绘制光子晶体的三维实体模型，然后将三维实体模型等厚度切片分层成一系列二维图形，等厚度切片分层，厚度为20µm。对所有二维图形生成进行扫描，将扫描的数据输入3D打印机进行打印。打印路径为先对轮廓线内区域进行平行打印，打印间距为30µm，再沿轮廓线进行打印，打印速度为100mm/s，同时在打印过程中开启紫外固化灯，紫外固化强度为100 W/cm²～400 W/cm²，固化时间为10min。待完成所有层片打印后，清除废料，取出打印成品。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims

1.一种3D打印制备光子晶体的方法，其特征在于，包括：

使用单分散胶体颗粒制作用于3D打印的高分子原材料；

绘制光子晶体的三维实体模型；

2.如权利要求1所述的3D打印制备光子晶体的方法，其特征在于，所述使用单分散胶体颗粒制作用于3D打印的高分子原材料，具体包括：

使所述单分散胶体颗粒分散于溶剂中，制得单分散胶体颗粒的悬浮液；

将丙烯酸酯类单体、固化剂与所述悬浮液混合，混合制得所述高分子原材料。

3.如权利要求2所述的3D打印制备光子晶体的方法，其特征在于，所述单分散胶体颗粒包括聚苯乙烯微球、聚甲基丙烯酸甲酯微球、二氧化硅微球、二氧化钛微球、四氧化三铁微球、氧化铁微球、金微球、银微球中的一种或两种以上的组合，或上述所有微球的改性微球中的一种或两种以上的组合。

4.如权利要求2所述的3D打印制备光子晶体的方法，其特征在于，所述丙烯酸酯类单体包括可紫外聚合的丙烯酸酯类单体和可加热聚合的丙烯酸酯类单体，所述固化剂包括紫外固化剂和热固化剂。

5.如权利要求4所述的3D打印制备光子晶体的方法，其特征在于，所述可紫外聚合的丙烯酸酯类单体包括聚乙二醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯或乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯。

6.如权利要求4所述的3D打印制备光子晶体的方法，其特征在于，所述紫外固化剂包括二苯甲酮（BP）、Ingacure 2959、Ingacure 2100或2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮。

7.如权利要求4所述的3D打印制备光子晶体的方法，其特征在于，所述悬浮液与所述高分子原材料的体积百分比浓度为20～40%，所述丙烯酸酯类单体与所述高分子原材料的体积百分比浓度为5～15%，所述热固化剂与所述高分子原材料的质量百分比为0.5～1.5wt%。

8.如权利要求1所述的3D打印制备光子晶体的方法，其特征在于，所述基底包括特氟龙板、经特氟龙表面处理后的玻片或经特氟龙表面处理后的硅片。

9.如权利要求1所述的3D打印制备光子晶体的方法，其特征在于，所述三维实体模型切片后，每层的厚度为10～100µm。

10.如权利要求2所述的3D打印制备光子晶体的方法，其特征在于，所述单分散胶体颗粒包括聚苯乙烯微球、聚甲基丙烯酸甲酯微球、二氧化硅微球、二氧化钛微球、四氧化三铁微球、氧化铁微球、金微球、银微球中的一种或两种以上的组合，或上述所有微球的复合微球中的一种或两种以上的组合。