LT7057B - A method for production of a photo-curable inorganic-organic hybrid resin and a method for production of hard sioxcy ceramic microstructures using the photo-curable inorganic-organic hybrid resin - Google Patents
A method for production of a photo-curable inorganic-organic hybrid resin and a method for production of hard sioxcy ceramic microstructures using the photo-curable inorganic-organic hybrid resin Download PDFInfo
- Publication number
- LT7057B LT7057B LT2022537A LT2022537A LT7057B LT 7057 B LT7057 B LT 7057B LT 2022537 A LT2022537 A LT 2022537A LT 2022537 A LT2022537 A LT 2022537A LT 7057 B LT7057 B LT 7057B
- Authority
- LT
- Lithuania
- Prior art keywords
- hybrid resin
- ceramic
- photo
- organic hybrid
- inorganic
- Prior art date
Links
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims abstract description 64
- 239000011347 resin Substances 0.000 title claims abstract description 58
- 229920005989 resin Polymers 0.000 title claims abstract description 58
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 43
- TUQLLQQWSNWKCF-UHFFFAOYSA-N trimethoxymethylsilane Chemical compound COC([SiH3])(OC)OC TUQLLQQWSNWKCF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- XDLMVUHYZWKMMD-UHFFFAOYSA-N 3-trimethoxysilylpropyl 2-methylprop-2-enoate Chemical compound CO[Si](OC)(OC)CCCOC(=O)C(C)=C XDLMVUHYZWKMMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims abstract description 10
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-M acrylate group Chemical group C(C=C)(=O)[O-] NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims abstract description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 5
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract 3
- 239000000178 monomer Substances 0.000 claims description 25
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims description 16
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 claims description 13
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 claims description 13
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 claims description 11
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 8
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 8
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 8
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical group CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 claims description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- DTQVDTLACAAQTR-UHFFFAOYSA-N Trifluoroacetic acid Chemical compound OC(=O)C(F)(F)F DTQVDTLACAAQTR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000003495 polar organic solvent Substances 0.000 claims description 5
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 4
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 125000001424 substituent group Chemical group 0.000 claims description 4
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims description 4
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims description 4
- 238000009835 boiling Methods 0.000 claims description 3
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 3
- 238000004590 computer program Methods 0.000 claims description 3
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 claims description 3
- 239000011368 organic material Substances 0.000 claims description 3
- 238000006068 polycondensation reaction Methods 0.000 claims description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- NTIZESTWPVYFNL-UHFFFAOYSA-N Methyl isobutyl ketone Chemical compound CC(C)CC(C)=O NTIZESTWPVYFNL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- UIHCLUNTQKBZGK-UHFFFAOYSA-N Methyl isobutyl ketone Natural products CCC(C)C(C)=O UIHCLUNTQKBZGK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 125000000217 alkyl group Chemical group 0.000 claims description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 claims description 2
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims description 2
- 125000001997 phenyl group Chemical group [H]C1=C([H])C([H])=C(*)C([H])=C1[H] 0.000 claims description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 2
- 125000003545 alkoxy group Chemical group 0.000 claims 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 claims 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 abstract description 19
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 17
- 239000002245 particle Substances 0.000 abstract description 14
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 abstract description 11
- 230000007423 decrease Effects 0.000 abstract description 3
- 125000002524 organometallic group Chemical group 0.000 abstract description 3
- 238000005245 sintering Methods 0.000 abstract description 2
- 238000000137 annealing Methods 0.000 abstract 3
- 239000007858 starting material Substances 0.000 abstract 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract 2
- 238000011038 discontinuous diafiltration by volume reduction Methods 0.000 abstract 1
- 150000002902 organometallic compounds Chemical class 0.000 abstract 1
- 230000003252 repetitive effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 abstract 1
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 11
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 11
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 11
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 10
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 9
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 8
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 7
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 6
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 description 6
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 6
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 6
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 5
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 5
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 5
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 5
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 5
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 5
- 238000005033 Fourier transform infrared spectroscopy Methods 0.000 description 4
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 4
- 239000000047 product Substances 0.000 description 4
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical compound C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical group [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 3
- 238000000609 electron-beam lithography Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000002164 ion-beam lithography Methods 0.000 description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 description 3
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 3
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 3
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 3
- 238000002411 thermogravimetry Methods 0.000 description 3
- 238000001157 Fourier transform infrared spectrum Methods 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000001252 acrylic acid derivatives Chemical class 0.000 description 2
- 239000011153 ceramic matrix composite Substances 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 150000002148 esters Chemical class 0.000 description 2
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000013538 functional additive Substances 0.000 description 2
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003999 initiator Substances 0.000 description 2
- 238000007641 inkjet printing Methods 0.000 description 2
- 238000000025 interference lithography Methods 0.000 description 2
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 2
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 2
- WHYSCQXYFSXDDS-UHFFFAOYSA-N 3-ethyl-3-methoxyoxetane Chemical compound CCC1(OC)COC1 WHYSCQXYFSXDDS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BIGOJJYDFLNSGB-UHFFFAOYSA-N 3-isocyanopropyl(trimethoxy)silane Chemical group CO[Si](OC)(OC)CCC[N+]#[C-] BIGOJJYDFLNSGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GGZZISOUXJHYOY-UHFFFAOYSA-N 8-amino-4-hydroxynaphthalene-2-sulfonic acid Chemical compound C1=C(S(O)(=O)=O)C=C2C(N)=CC=CC2=C1O GGZZISOUXJHYOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910014033 C-OH Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002483 Cu Ka Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910014570 C—OH Inorganic materials 0.000 description 1
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 1
- 241001425722 Greta Species 0.000 description 1
- 206010034960 Photophobia Diseases 0.000 description 1
- 229910018540 Si C Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910008051 Si-OH Inorganic materials 0.000 description 1
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002808 Si–O–Si Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910006358 Si—OH Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005903 acid hydrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 1
- 150000001336 alkenes Chemical class 0.000 description 1
- 150000004703 alkoxides Chemical class 0.000 description 1
- 150000001408 amides Chemical class 0.000 description 1
- 239000010405 anode material Substances 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000003178 carboxy group Chemical group [H]OC(*)=O 0.000 description 1
- 125000002091 cationic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 238000000641 cold extrusion Methods 0.000 description 1
- 239000007859 condensation product Substances 0.000 description 1
- 238000006482 condensation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 239000010431 corundum Substances 0.000 description 1
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000005034 decoration Methods 0.000 description 1
- 239000004053 dental implant Substances 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- VDCSGNNYCFPWFK-UHFFFAOYSA-N diphenylsilane Chemical compound C=1C=CC=CC=1[SiH2]C1=CC=CC=C1 VDCSGNNYCFPWFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002170 ethers Chemical class 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- 238000010100 freeform fabrication Methods 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000002241 glass-ceramic Substances 0.000 description 1
- 150000002484 inorganic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000010954 inorganic particle Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 description 1
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 208000013469 light sensitivity Diseases 0.000 description 1
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 239000002073 nanorod Substances 0.000 description 1
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 description 1
- 230000000399 orthopedic effect Effects 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 125000005704 oxymethylene group Chemical group [H]C([H])([*:2])O[*:1] 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 229910021426 porous silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 1
- 125000001436 propyl group Chemical group [H]C([*])([H])C([H])([H])C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N propylene Natural products CC=C QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000004805 propylene group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([*:1])C([H])([H])[*:2] 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000008707 rearrangement Effects 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 239000011342 resin composition Substances 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 150000003673 urethanes Chemical class 0.000 description 1
Landscapes
- Silicon Polymers (AREA)
- Silicon Compounds (AREA)
- Producing Shaped Articles From Materials (AREA)
Abstract
The object of the present invention is a method for production of a photo-curable inorganicorganic hybrid resin produced by the sol–gel method from trimethoxymethylsilane (responsible for the hardness) and 3- (trimethoxysilyl)propyl methacrylate, which has an acrylate functional group and therefore can participate in laser photopolymerization. Extremely hard 3D ceramic structures are obtained by applying high-temperature pyrolysis in an inert atmosphere to soft organometallic derivatives. The main advantages of this method is that there are no shrinkage defects after sintering, except for a uniform repetitive decrease in volume (the shrinkage after annealing is 75% in all directions compared to the starting polymeric derivative). The starting material is a homogeneous monolithic molecular compound, therefore, the surface smoothness and resolution of the structures are not limited by the initial material undesirable factors such as ceramic particles size.Šio išradimo tikslas - foto kietinamos neorganinės-organinės hibridinės dervos gamybos zolių gelių metodu iš trimetoksimetilsilano (atsakingo už kietumą) ir 3-(trimetoksisilil)propilmetakrilato, turinčio akrilato funkcinę grupę ir dėl to galinčio dalyvauti lazerinėje fotopolimerizacijoje, būdas. Itin kietos 3D keramikos struktūros gaunamos minkštiems organometaliniams dariniams taikant aukštos temperatūros pirolizę inertinėje atmosferoje. Pagrindinis šio metodo privalumas yra tas, kad po atkaitinimo nėra susitraukimo defektų, išskyrus vienodą pasikartojantį tūrio sumažėjimą (susitraukimas po atkaitinimo yra 75 % visomis kryptimis, palyginti su pradiniu polimeriniu dariniu). Pradinė medžiaga yra vienalytis monolitinis molekulinis junginys, todėl paviršiaus lygumo ir struktūrų skiriamosios gebos neriboja pradinės medžiagos nepageidaujami veiksniai, tokie kaip keramikos dalelių dydis.The object of the present invention is a method for production of a photo-curable inorganicorganic hybrid resin produced by the sol–gel method from trimethoxymethylsilane (responsible for the hardness) and 3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate, which has an acrylate functional group and therefore can participate in laser photopolymerization. Extremely hard 3D ceramic structures are obtained by applying high-temperature pyrolysis in an inert atmosphere to soft organometallic derivatives. The main advantages of this method is that there are no shrinkage defects after sintering, except for a uniform repetitive decrease in volume (the shrinkage after annealing is 75% in all directions compared to the starting polymeric derivative). The starting material is a homogeneous monolithic molecular compound, therefore, the surface smoothness and resolution of the structures are not limited by the initial material undesirable factors such as ceramic particles size. method from trimethoxymethylsilane (responsible for hardness) and 3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate, which has an acrylate functional group and can therefore participate in laser photopolymerization. Ultra-hard 3D ceramic structures are obtained by high-temperature pyrolysis of soft organometallic compounds in an inert atmosphere. The main advantage of this method is that there are no shrinkage defects after annealing, except for a uniform repeated volume reduction (the shrinkage after annealing is 75% in all directions compared to the initial polymer formation). The starting material is a homogeneous monolithic molecular compound, so the surface smoothness and resolution of the structures are not limited by undesirable factors of the starting material, such as the size of the ceramic particles.
Description
TECHNIKOS SRITISTECHNICAL FIELD
Šis išradimas susijęs su foto kietinamos neorganinės-organinės hibridinės dervos gamybos būdu ir kietų keraminių mikrostruktūrų gamybos būdu, naudojant hibridinę dervą. Ypatingai šis išradimas susijęs su foto kietinamos neorganinėsorganinės hibridinės dervos, hibridinės dervos ir kietų SiOxCy keraminių mikrostruktūrų gamybos būdu, naudojant hibridinę dervą.This invention relates to a method of producing a photo-curable inorganic-organic hybrid resin and a method of producing solid ceramic microstructures using the hybrid resin. In particular, the present invention relates to a method for producing photocurable inorganic-organic hybrid resin, hybrid resin, and solid SiOxCy ceramic microstructures using the hybrid resin.
TECHNIKOS LYGISSTATE OF THE ART
Dėl savo unikalių mechaninių, cheminių ir šiluminių savybių keramika yra viena patraukliausių inžinerinių medžiagų. Šiais laikais didėja susidomėjimas naujais gamybos procesais ir medžiagomis, skirtomis 3D spausdintų mikrostruktūrų realizavimui dėl didelės jų reikšmės įvairiose technologijų srityse, kurios kitu atveju negali būti įgyvendintos naudojant tradicines gamybos technologijas [Malinauskas, Mangirdas & Žukauskas, Albertas & Hasegawa, Satoshi & Hayasaki, Yoshio & Mizeikis, Vygantas & Buividas, Ričardas & Juodkazis, Saulius. (2016). Ultrafast laser processing of materials: from science to industry. Light Sci Appl., 5 (8), 16133. 10.1038/lsa.2016.133.], [Malinauskas, Mangirdas & Žukauskas, Albertas & Purlys, Vytautas & Belazaras, Kastytis & Momot, Andrej & Paipulas, Domas & Gadonas, Roaldas & Piskarskas, Algis & Gilbergs, Holger & Gaidukevičiūtė, Arūnė. (2010). Femtosecond laser polimerization of hybrid/integrated micro-optical elements and their characterization. Journal of Optics, 12, 124010. 10.1088/20408978/12/12/124010.]. 3D keramika pritaikoma įvairioms reikmėms, tokioms kaip estetikos, dekoro, architektūros, mechanikos, elektronikos, optikos, metalurgijos, kosmoso ir strateginiuose sektoriuose. Dėl savo unikalių savybių, tokių kaip itin didelis kietumas/stiprumas, stabilumas ir atsparumas korozijai, keramika laikoma perspektyvia medžiaga medicininiams, ortopediniams ir dantų implantams, orlaivių komponentams ir kitoms mechaninėms dalims gaminti. [Merkininkaitė, Greta & Aleksandravičius, Edvinas & Malinauskas, Mangirdas & Gailevičius, Darius & Šakirzanovas, Simas. (2022). Laser additive manufacturing of Si/ZrO2 tunable crystalline phase 3D nanostructures. Opto-Electron Adv 5, 210077.Ceramics are one of the most attractive engineering materials due to their unique mechanical, chemical and thermal properties. Nowadays, there is an increasing interest in new manufacturing processes and materials for the realization of 3D printed microstructures due to their great significance in various technological fields, which otherwise cannot be realized using traditional manufacturing technologies [Malinauskas, Mangirdas & Žukauskas, Albertas & Hasegawa, Satoshi & Hayasaki, Yoshio & Mizeikis, Vygantas & Buividas, Ričardas & Juodkazis, Saulius. (2016). Ultrafast laser processing of materials: from science to industry. Light Sci Appl., 5 (8), 16133. 10.1038/lsa.2016.133.], [Malinauskas, Mangirdas & Žukauskas, Albertas & Purlys, Vytautas & Belazaras, Kastytis & Momot, Andrej & Paipulas, Domas & Gadonas, Roaldas & Piskarskas , Algis & Gilbergs, Holger & Gaidukevičiūtė, Arūne. (2010). Femtosecond laser polymerization of hybrid/integrated micro-optical elements and their characterization. Journal of Optics, 12, 124010. 10.1088/20408978/12/12/124010.]. 3D ceramics can be applied to various applications such as aesthetics, decoration, architecture, mechanics, electronics, optics, metallurgy, space and strategic sectors. Because of its unique properties such as extreme hardness/strength, stability and corrosion resistance, ceramics are considered promising materials for manufacturing medical, orthopedic and dental implants, aircraft components and other mechanical parts. [Merkininkaitė, Greta & Aleksandravičius, Edvinas & Malinauskas, Mangirdas & Gailevičius, Darius & Šakirzanovas, Simas. (2022). Laser additive manufacturing of Si/ZrO2 tunable crystalline phase 3D nanostructures. Opto-Electron Adv 5, 210077.
10.29026/oea.2022.210077].10.29026/oea.2022.210077].
3D spausdinimo metodai dažniausiai naudojami pažangių mechaninių trimačių komponentų gamybai, naudojant keramines medžiagas arba prieškeramines dervas, yra: fotopolimerizacija [Malinauskas, Mangirdas & Farsari, Maria & Piskarskas, Algis & Juodkazis, Saulius. (2013). Ultrafast laser nanostructuring of photopolimers: A decade of advances. Physics Reports 533 (1), 1-31. 10.1016/j.physrep.2013.07.005] selektyvus lazerinis lydymas, stereolitografija, ekstruzijos pagrindu sukurtas 3D spausdinimas, tiesioginis metalo lydymas lazeriu, lydynio nusodinimo modeliavimas, rašalinis spausdinimas, robokastingas, elektronų pluošto laisvos formos gamyba, elektronų pluošto lydymas, selektyvus šiluminis lydymas, laminuotų objektų gamyba, skaitmeninis šviesos apdorojimas, impulsinis rašalinis spausdinimas, gamyba šaltojo išspaudimo būdu ir tiesioginis medžiagų nusodinimas [Anish Mathews, P., Koonisetty, S., Bhardwaj, S., Biswas, P., Johnson, R., Padmanabham, G. (2020). Patent Trends in Additive Manufacturing of Ceramic Materials. In: Mahajan, Y.R., Johnson, R. (eds) Handbook of Advanced Ceramics and Composites. Springer, Cham. 10.1007/978-3-030-16347-1_57],3D printing methods commonly used for the production of advanced mechanical three-dimensional components using ceramic materials or pre-ceramic resins are: photopolymerization [Malinauskas, Mangirdas & Farsari, Maria & Piskarskas, Algis & Juodkazis, Saulius. (2013). Ultrafast laser nanostructuring of photopolymers: A decade of advances. Physics Reports 533 (1), 1-31. 10.1016/j.physrep.2013.07.005] selective laser melting, stereolithography, extrusion-based 3D printing, direct metal laser melting, melt deposition modeling, inkjet printing, robocasting, electron beam freeform fabrication, electron beam melting, selective thermal melting, fabrication of laminated objects, digital light processing, pulsed inkjet printing, cold extrusion fabrication and direct deposition of materials [Anish Mathews, P., Koonisetty, S., Bhardwaj, S., Biswas, P., Johnson, R., Padmanabham, G (2020). Patent Trends in Additive Manufacturing of Ceramic Materials. In: Mahajan, Y.R., Johnson, R. (eds) Handbook of Advanced Ceramics and Composites. Springer, Cham. 10.1007/978-3-030-16347-1_57],
3D spausdinimo prieškeramines medžiagos paprastai apima skystas arba pusiau skystas sistemas, kuriose disperguotos smulkios keramikinės dalelės kaip žaliava arba metalo organines dervas [Jonušauskas, Linas & Gailevičius, Darius & Mikoliūnaitė, Lina & Sakalauskas, Danas & Šakirzanovas, Simas & Juodkazis, Saulius & Malinauskas, Mangirdas. (2017). Optically Clear and Resilient Free-Form μ-Optics 3D-Printed via Ultrafast Laser Lithography. Materials (Basel), 10(1):12. 10.3390/ma10010012], arba skystu, arba pastos pavidalu. Polimerų ir keraminių dalelių kompozitai yra pagaminti iš metalų arba pusmetalių oksidų, karbidų, bohdų, stiklinių grūdelių, disperguotų organiniuose monomeruose, tokių kaip: oksimetilenas, olefinai, propilenas arba etilenas, uretanai, amidai, eteriai, esteriai, akrilatai. [ Chen, Zhangwei & Li, Ziyong & Li, Junjie & Liu, Chengbo & Liu, Changyong & Li, Yang & Wang, Pei & Yi, He & Lao, Changshi & Yuelong, Fu. (2018). 3D printing of ceramics: A review. Journal of the European Ceramic Society. 39. 10.1016/j.jeurceramsoc.2018.11.013], [Anish Mathews, P., Koonisetty, S., Bhardwaj, S., Biswas, P., Johnson, R., Padmanabham, G. (2020). Patent Trends in Additive Manufacturing of Ceramic Materials. In: Mahajan, Y.R., Johnson, R. (eds) Handbook of Advanced Ceramics and Composites. Springer, Cham. 10.1007/978-3-030-163471_57], Metaloorganinių dervų atveju, monomeriniai metalų alkoksidai ir organiniai monomerai, tokie kaip akrilatai, naudojami kaip pirmtakai homogeninių fotoaktyvių metaloorganinių medžiagų gamyboje [Malinauskas, Mangirdas & Žukauskas, Albertas & Bičkauskaitė, Gabija & Gadonas, Roaldas & Juodkazis, Saulius. (2010). Mechanisms of three-dimensional structuring of photo-polimers by tightly focused femtosecond laser pulses. Opt. Express 18, 10209-10221. 10.1364/OE.18.010209]. Po adityvios gamybos, žaliavinės organinės dalys turi būti apdorojamos toliau, paprastai pirolize, kad būtų pašalintos organinės medžiagos, o po to sukepinama aukštoje temperatūroje, kad būtų gauta gryna neorganinė medžiaga [Gailevicius, Darius & Padolskyte, Viktorija & Mikoliunaite, Lina & Sakirzanovas, Simas & Juodkazis, Saulius. (2018). Additive-Manufacturing of 3D Glass-Ceramics down to Nanoscale Resolution. 4. 647-651. 10.1039/C8NH00293B].Pre-ceramic materials for 3D printing usually include liquid or semi-liquid systems in which fine ceramic particles are dispersed as raw material or metal-organic resins [Jonusauskas, Linas & Gailevičius, Darius & Mikoliūnaitė, Lina & Sakalauskas, Danas & Šakirzanovas, Simas & Juodkazis, Saulius & Malinauskas, Mangird. (2017). Optically Clear and Resilient Free-Form μ-Optics 3D-Printed via Ultrafast Laser Lithography. Materials (Basel), 10(1):12. 10.3390/ma10010012], either in liquid or paste form. Composites of polymers and ceramic particles are made of metal or semi-metal oxides, carbides, bohdes, glass grains dispersed in organic monomers such as: oxymethylene, olefins, propylene or ethylene, urethanes, amides, ethers, esters, acrylates. [ Chen, Zhangwei & Li, Ziyong & Li, Junjie & Liu, Chengbo & Liu, Changyong & Li, Yang & Wang, Pei & Yi, He & Lao, Changshi & Yuelong, Fu. (2018). 3D printing of ceramics: A review. Journal of the European Ceramic Society. 39. 10.1016/j.jeurceramsoc.2018.11.013], [Anish Mathews, P., Koonisetty, S., Bhardwaj, S., Biswas, P., Johnson, R., Padmanabham, G. (2020). Patent Trends in Additive Manufacturing of Ceramic Materials. In: Mahajan, Y.R., Johnson, R. (eds) Handbook of Advanced Ceramics and Composites. Springer, Cham. 10.1007/978-3-030-163471_57], In the case of organometallic resins, monomeric metal alkoxides and organic monomers such as acrylates are used as precursors in the production of homogeneous photoactive organometallic materials [Malinauskas, Mangirdas & Žukauskas, Albertas & Bičkauskaitė, Gabija & Gadonas, Roaldas & Juodkazis, Saulius. (2010). Mechanisms of three-dimensional structuring of photo-polymers by tightly focused femtosecond laser pulses. Opt. Express 18, 10209-10221. 10.1364/OE.18.010209]. After additive manufacturing, the raw organic parts must be further processed, usually by pyrolysis to remove the organic material, followed by high-temperature sintering to obtain the pure inorganic material [Gailevicius, Darius & Padolskyte, Viktorija & Mikoliunaite, Lina & Sakirzanovas, Simas & Juodkazis, Saulius. (2018). Additive-Manufacturing of 3D Glass-Ceramics down to Nanoscale Resolution. 4. 647-651. 10.1039/C8NH00293B].
Didesnis neorganinių medžiagų procentas pirmtakuose, skirtuose didelio kietumo ir kokybiškoms keraminėms struktūroms gaminti, sumažina susitraukimą pirolizės metu, o tai lemia tvirtesnę 3D spausdintos keramikos struktūrą. Kuo mažesnis organinių medžiagų kiekis, tuo didesnis kondensacijos reakcijų laipsnis, todėl sunkiau medžiagą ištirpinti tirpiklyje. Dėl to sumažėja konstrukcijų skiriamoji geba arba gamybos procesas tampa neįmanomas. Dėl šių ilgalaikių problemų sunku pagaminti struktūras, kurios būtų didelės raiškos ir kietos. Keraminių nano/mikro dalelių ir organinio atsparumo derinys yra dar vienas būdas gauti 3D keramiką, tačiau jis turi keletą trūkumų: struktūrų raiška priklauso nuo dalelių dydžio ir sunku gauti stabilų ir skaidrų tirpalą, o kaitinant struktūros deformuojasi.A higher percentage of inorganic materials in the precursors for producing high-hardness and high-quality ceramic structures reduces shrinkage during pyrolysis, which results in a stronger 3D printed ceramic structure. The lower the amount of organic matter, the higher the degree of condensation reactions, which makes it more difficult to dissolve the substance in the solvent. This reduces the resolution of structures or makes the manufacturing process impossible. These long-term problems make it difficult to produce structures that are both high-resolution and stiff. The combination of ceramic nano/micro particles and organic resists is another way to obtain 3D ceramics, but it has several drawbacks: the resolution of the structures depends on the size of the particles and it is difficult to obtain a stable and transparent solution, and the structures deform when heated.
Yra daug patentų, aprašančių fotoaktyviųjų rezistų/kompozitų gamybą ir 3D keramikos gamybą, tačiau daugelis problemų dar neišspręstos, norint gauti itin kietą ir kartu tikslią keramiką.There are many patents describing the production of photoactive resists/composites and the production of 3D ceramics, but many problems have yet to be solved to obtain ultra-hard yet precise ceramics.
JAV patentas Nr. US8969219B2 atskleidžia ultravioletine šviesa (UV) kietinamos neorganinės-organinės hibridinės dervos, kurios sudėtyje yra apie 4 % arba mažiau lakiųjų medžiagų ir mažiau kaip 30 % organinių liekanų, gavimo būdą. UV kietinama neorganinė-organinė hibridinė derva, gauta pagal šį būdą, gali būti UV kietinama per labai trumpą laiką, o sukietėjus susidaro skaidrus, nesitraukiantis ir be įtrūkimų stiklą primenantis aukštos optinės kokybės, didelio terminio stabilumo ir gerų sukibimo savybių gaminys. Atsižvelgiant į šias savybes, ši hibridinė derva gali būti naudojama įvairioms reikmėms, pavyzdžiui, elektrooptikoje, mikroelektronikoje, stereolitografijoje ir biofotonikoje. Tačiau gautos galutinės medžiagos turi santykinai didelį organinių medžiagų kiekį, o tai lemia žemą atsparumą agresyvioms sąlygoms.US Patent No. US8969219B2 discloses a process for preparing an ultraviolet (UV) curable inorganic-organic hybrid resin containing about 4% or less volatile matter and less than 30% organic residue. The UV-curable inorganic-organic hybrid resin obtained by this method can be UV-cured in a very short time, and after curing, a transparent, non-shrinking and crack-free glass-like product with high optical quality, high thermal stability and good adhesion properties is formed. Considering these properties, this hybrid resin can be used in various applications such as electro-optics, microelectronics, stereolithography and biophotonics. However, the final materials obtained have a relatively high content of organic matter, which leads to low resistance to aggressive conditions.
EP paraiška Nr.15190461.2 (paskelbimo Nr. EP3009416A1) atskleidžia adityvias gamybos sistemas, būdus ir dervas. Viename įgyvendinimo variante keraminės struktūros adityvus gamybos būdas apima dervos, apimančios prieškeraminį polimerą ir neorganinio keraminio užpildo daleles, disperguotas prieškeraminiame polimere. Prieškeraminis polimeras yra tinkamas konvertuoti į keraminę fazę. Būdas apima neorganinio keraminio užpildo dalelių funkcionalizavimą reaktyvia grupe ir energijos šaltinio pritaikymą dervai, kad iš dervos būtų sukurtas bent vienas keraminės fazės sluoksnis. Pagrindinis šio išradimo trūkumas yra tas, kad apsauginiam sluoksniui paruošti naudojamos neorganinės dalelės, todėl struktūrų skiriamąją gebą riboja dalelių dydis.EP Application No. 15190461.2 (Publication No. EP3009416A1) discloses additive manufacturing systems, methods and resins. In one embodiment, the additive manufacturing method of the ceramic structure includes a resin comprising a preceramic polymer and inorganic ceramic filler particles dispersed in the preceramic polymer. The preceramic polymer is suitable for conversion to the ceramic phase. The method includes functionalizing the inorganic ceramic filler particles with a reactive group and applying an energy source to the resin to create at least one layer of the ceramic phase from the resin. The main disadvantage of this invention is that inorganic particles are used to prepare the protective layer, so the resolution of the structures is limited by the size of the particles.
JAV patentas Nr. US10737984B2 atskleidžia dervos kompozicijas, kurios gali būti naudojamos 3D spausdinimui ir pirolizavimui, kad būtų pagamintas keraminės matricos kompozitas. Dervos kompozicijose yra kietosios fazės užpildo, užtikrinančio aukštą šiluminį stabilumą ir mechaninį stiprumą (pvz., atsparumą lūžiams) galutinėje keraminėje medžiagoje. Išradimas numato tiesioginį, laisvos formos 3D spausdinimą iš prieškeraminio polimero, įkrauto kietos fazes užpildu, po to prieškeraminis polimeras paverčiamas 3D spausdintu keraminės matricos kompozitu, turinčiu potencialiai sudėtingas 3D formas arba didelių dalių formas. Kiti variantai pateikia aktyvius kietosios fazės funkcinius priedus kaip kietosios fazės užpildus, kad būtų realizuota arba sustiprinta bent viena cheminė, fizinė, mechaninė arba elektrinė funkcija formuojamoje keraminėje struktūroje ir galutinėje struktūroje. Kietosios fazės funkciniai priedai aktyviai pagerina galutinę keramikos struktūrą per vieną ar kelis pokyčius, kuriuos aktyviai sukelia priedai pirolizės ar kito terminio apdorojimo metu. Kietosios fazės užpildai gali būti skaidulų, siūlinių kristalų, nanovamzdelių, nanostrypų, mikro/nano dalelių, kurių vidutinis skersmuo yra nuo 1 nanometro iki 100 mikronų, pavidalo, kas riboja konstrukcijos formos ryškumą.US Patent No. US10737984B2 discloses resin compositions that can be used for 3D printing and pyrolysis to produce a ceramic matrix composite. The resin formulations contain a solid phase filler that provides high thermal stability and mechanical strength (eg, fracture resistance) in the final ceramic material. The invention provides for direct, free-form 3D printing of a preceramic polymer loaded with a solid phase filler, followed by conversion of the preceramic polymer into a 3D printed ceramic matrix composite with potentially complex 3D shapes or large part shapes. Other embodiments provide active solid-phase functional additives as solid-phase fillers to realize or enhance at least one chemical, physical, mechanical, or electrical function in the molded ceramic structure and final structure. Solid-phase functional additives actively improve the final ceramic structure through one or more changes actively induced by the additives during pyrolysis or other heat treatment. Solid phase fillers can be in the form of fibers, filamentous crystals, nanotubes, nanorods, micro/nano particles with an average diameter of 1 nanometer to 100 microns, which limits the clarity of the structure shape.
Kinijos patentas Nr. CN109438631B yra susijęs su didelio tikslumo ir aukštos terminės deformacijos temperatūros stereolitografine 3D spausdinimo šviesai jautria derva ir jos gamybos būdu. Kompozitinę medžiagą sudaro šios žaliavos, išreikštos masės procentais: 5 - 95 % bis[(3-etil-3-metoksioksetan)propil]difenilsilano; 3 - 80 % akrilato prepolimero; 0 - 40 % akrilato skiediklio; 0,5 - 10 % katijoninio iniciatoriaus; 0,5 - 10 % radikalų iniciatoriaus. Šviesai jautri derva, pagaminta pagal išradimą, pasižymi geru jautrumu šviesai, dideliu formavimo tikslumu ir aukšta šiluminės deformacijos temperatūra, todėl gali būti tiesiogiai naudojama gaminant bet kokios sudėtingos formos detales arba štampus, pasižyminčius dideliu tikslumu ir didele termine deformacija. Tačiau atskleidimas neparodo atsparumo itin aukštoms temperatūroms ir apkrovoms, iškraipymo temperatūra yra tik 75 °C, esant 1,82 MPa apkrovai.Chinese Patent No. CN109438631B relates to high precision and high thermal deformation temperature stereolithographic 3D printing photosensitive resin and its manufacturing method. The composite material consists of the following raw materials, expressed in mass percent: 5 - 95% bis[(3-ethyl-3-methoxyoxetane)propyl]diphenylsilane; 3 - 80% acrylate prepolymer; 0 - 40% acrylate thinner; 0.5 - 10% cationic initiator; 0.5 - 10% radical initiator. The light-sensitive resin produced according to the invention has good light sensitivity, high molding accuracy and high thermal deformation temperature, so it can be directly used to produce any complex shaped parts or dies with high precision and high thermal deformation. However, the disclosure does not show resistance to extremely high temperatures and loads, with a distortion temperature of only 75 °C at a load of 1.82 MPa.
Kinijos patentas Nr. CN109128150B atskleidžia 3D spausdinimo didelio stiprumo aliuminio lydinio metalo miltelius, naudojant metalo miltelių 3D spausdinimo didelio stiprumo aliuminio lydinio spausdinimo metodą ir 3D spausdinimo metodo taikymą. 3D spausdinimo didelio stiprumo aliuminio lydinio metalo milteliai, įskaitant aliuminio lydinio mikronų daleles, kurios pasižymi tuo, kad aliuminio lydinio mikronų dalelių paviršius yra paeiliui modifikuojamas grafenu ir nano dydžio sustiprinančiomis dalelėmis iš vidaus į paviršių. Grafeno priedo kiekis yra 0,3-0,6 % metalo miltelių bendrosios masės ir nano dydžio sustiprintų dalelių bendras pridėjimo lygis yra 1 -3 % metalo miltelių bendrosios masės; Aliuminio lydinio dalinis mikronų dalelių dydis yra 10 μm -60 μm; Nano dydžio sustiprintos dalelės dalinis dydis yra 30 nm- 60 nm. Metalo milteliai gali spausdinti didelio stiprumo aliuminio lydinį, yra plačiai naudojami gaminant aliuminio lydinio dalį. Mėginio mechaninės savybės yra tokios: atsparumas tempimui 800-970MPa, takumo riba 600-770MPa, pailgėjimo procentas 13-16 %, tuo tarpu mūsų demonstruojamos medžiagos pasižymėjo mechaninėmis GPa skalės savybėmis.Chinese Patent No. CN109128150B discloses 3D printing high strength aluminum alloy metal powder using metal powder 3D printing high strength aluminum alloy printing method and application of 3D printing method. 3D printing high-strength aluminum alloy metal powder including aluminum alloy micron particles, which is characterized by the surface of the aluminum alloy micron particles successively modified with graphene and nano-sized reinforcing particles from the inside to the surface. The amount of graphene additive is 0.3-0.6% of the total weight of metal powder and the total addition level of nano-sized reinforced particles is 1-3% of the total weight of metal powder; The partial micron particle size of aluminum alloy is 10 μm -60 μm; The fractional size of the nano-sized reinforced particle is 30 nm- 60 nm. Metal powder can print high strength aluminum alloy, is widely used in the production of aluminum alloy part. The mechanical properties of the sample are as follows: tensile strength 800-970MPa, yield strength 600-770MPa, elongation percentage 13-16%, while our demonstrated materials exhibited GPa-scale mechanical properties.
Šis išradimas skirtas aukščiau išvardintų trūkumų pašalinimui ir papildomų pranašumų, palyginus su ankstesniu technikos lygiu, sukūrimui.The present invention is intended to overcome the above-mentioned disadvantages and to provide additional advantages over the prior art.
TRUMPAS IŠRADIMO APRAŠYMASBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
Išradimas yra foto kietinamos neorganinės-organinės hibridinės dervos gamybos būdas ir SiOxCy keramikinių 3D mikrostruktūrų, pasižyminčių kietumu ir tiksliomis savybėmis, gamybos būdas, naudojant hibridinę dervą.The invention is a method of producing a photo-curable inorganic-organic hybrid resin and a method of producing SiOxCy ceramic 3D microstructures with hardness and precision properties using the hybrid resin.
Foto kietinamos neorganinės-organinės hibridinės dervos gamyba apima foto kietinamos neorganinės-organinės hibridinės dervos cheminę zolio-gelio sintezę, kuri apima rūgštinę pirmtakų hidrolizę, zolio-gelio fotopolimerizacijos terminį kondensavimą lazeriu ir pirolizę 1000 °C temperatūroje inertinėje atmosferoje.The production of photocurable inorganic-organic hybrid resin involves chemical sol-gel synthesis of photocurable inorganic-organic hybrid resin, which includes acid hydrolysis of precursors, laser thermal condensation of sol-gel photopolymerization, and pyrolysis at 1000 °C in an inert atmosphere.
Silicio-organinis prepolimeras yra foto kietinama neorganinė-organinė hibridinė derva, kuri gali išlaikyti savo 3D formą po apdorojimo lazerio šviesa. Dervoje yra 20 masės % pirmtako 3-(trimetoksisilil)propilmetakrilato (MAPTMS), kuris gali dalyvauti fotopolimerizacijoje ir 80 masės % pirmtako trimetoksimetilsilano (MTMS), kuris pajėgus sustiprinti. MTMS pirmtakas leidžia keraminei struktūrai išlaikyti pradinę formą, apsaugo nuo deformacijų ar įtrūkimų ir suteikia ypatingą kietumą, pavyzdžiui, 12,30 ± 0,17 GPa, po terminio apdorojimo. Foto kietinama neorganinė-organinė hibridinė derva turi mažą organinių medžiagų kiekį, tačiau gali dalyvauti fotopolimerizacijoje ir būti paversta į keramiką po terminio apdirbimo.Silica-organic prepolymer is a photo-curable inorganic-organic hybrid resin that can maintain its 3D shape after laser light treatment. The resin contains 20% by weight of the precursor 3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate (MAPTMS), which can participate in photopolymerization, and 80% by weight of the precursor trimethoxymethylsilane (MTMS), which is capable of strengthening. The MTMS precursor allows the ceramic structure to retain its original shape, prevents deformation or cracking, and provides exceptional hardness, such as 12.30 ± 0.17 GPa, after heat treatment. Photo-curable inorganic-organic hybrid resin has a low content of organic matter, but can participate in photopolymerization and can be converted into ceramics after heat treatment.
Taigi, tokiu būdu galima gauti sudėtingų, labai tikslių formų, didžiulės skiriamosios gebos (mikrometrinių skalių) ir be defektų 3D kietas keramines struktūras.Thus, 3D solid ceramic structures with complex, highly precise shapes, enormous resolution (micrometer scales) and defect-free can be obtained in this way.
TRUMPAS BRĖŽINIŲ APRAŠYMASBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Išradimo ypatybės, kurios, kaip manoma, yra naujos ir išradingos, yra konkrečiai išdėstytos pridedamuose apibrėžties punktuose. Tačiau pats išradimas gali būti geriausiai suprantamas remiantis toliau pateiktu išsamiu išradimo aprašymu, kuriame aprašomi pavyzdiniai išradimo įgyvendinimo variantai, pateikti neribojančiais pavyzdžiais, kartu su pridedamais brėžiniais, kuriuose:The features of the invention which are believed to be novel and inventive are specifically set forth in the appended claims. However, the invention itself may be best understood by reference to the following detailed description of the invention, which describes exemplary embodiments of the invention, given by way of non-limiting examples, together with the accompanying drawings, in which:
Pav. 1. rodo 3D polimerinių ir keraminių struktūrų SEM mikrografijas, pagamintas naudojant šio išradimo foto kietinamą neorganinę-organinę hibridinę dervą: (a-c) didelės skiriamosios gebos 3D periodinis giroidas;(d, e) 3D fulereno formos struktūra (C60) su mažesniu fulerenu (C60) viduje. Kiekvienu atveju kairė pusė atitinka pradinę struktūrą, o dešinė - termiškai apdorotą struktūrą.Fig. 1. shows SEM micrographs of 3D polymer and ceramic structures fabricated using the photocurable inorganic-organic hybrid resin of the present invention: (a-c) high-resolution 3D periodic gyroid; (d, e) 3D fullerene-shaped structure (C60) with smaller fullerene (C60 ) inside. In each case, the left side corresponds to the original structure and the right side to the heat-treated structure.
Pav. 2. rodo FTIR spektrą a) koloidinio tirpalo (zolio), b) gelio, c) polimero ir d) keraminės SiOxCy medžiagos, naudojamų 3D-4D tikslių kietos keramikos mikrostruktūrų gavimo būde.Fig. 2. shows the FTIR spectrum of a) colloidal solution (sol), b) gel, c) polymer and d) ceramic SiOxCy material used in the method of obtaining 3D-4D precise microstructures of solid ceramics.
Pav. 3. rodo zolio, gelio ir polimero, naudojamų šio išradimo būde, lūžio rodiklius. Zolio, gelio ir polimero lūžio rodikliai kambario temperatūroje, kaip bangos ilgio funkcija. Kiekvienas matavimas buvo pakartotas tris kartus, o apskaičiuoti standartiniai nuokrypiai buvo nereikšmingi.Fig. 3. shows the refractive indices of the sol, gel and polymer used in the method of the present invention. Sol, gel and polymer refractive indices at room temperature as a function of wavelength. Each measurement was repeated three times and the calculated standard deviations were negligible.
Pav. 4. rodo pagaminto polimero ir pirmtakų TGA, DSC ir DTG duomenis: 3 (trimetoksisilil)propilmetakrilatas (MAPTMS) ir trimetoksimetilsilanas (MTMS) panaudoti išradimo sintezėje. Analizė atlikta azoto atmosferoje.Fig. 4. shows TGA, DSC and DTG data of the produced polymer and precursors: 3 (trimethoxysilyl)propyl methacrylate (MAPTMS) and trimethoxymethylsilane (MTMS) used in the synthesis of the invention. The analysis was carried out under a nitrogen atmosphere.
Pav. 5. rodo SiOxCy keraminės struktūros XRD modelį, atkaitintą 1000 °C temperatūroje azoto atmosferoje.Fig. 5. shows the XRD pattern of the SiOxCy ceramic structure annealed at 1000 °C in a nitrogen atmosphere.
Pav. 6. Rodo paruoštos keraminės plokštės kietumą ir Jungo modulį, išmatuotą nanoįdubimu ir lyginama su lydytu kvarcu (PN: 5-0098-2) (a). Optiniai vaizdai po keraminės plokštės (b) ir lydyto kvarco (c) nanoidentifikavimo.Fig. 6. Shows the hardness and Jung's modulus of the as-prepared ceramic plate measured by nanoindentation and compared to fused quartz (PN: 5-0098-2) (a). Optical images after nano-identification of ceramic plate (b) and fused quartz (c).
Geriausi išradimo įgyvendinimo variantai bus aprašyti toliau, su nuoroda į brėžinius. Kiekviename paveiksle yra ta pati to paties arba lygiaverčio elemento numeracija.The best embodiments of the invention will be described below with reference to the drawings. Each figure has the same numbering for the same or equivalent item.
DETALUS IŠRADIMO APRAŠYMASDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Reikia suprasti, kad pateikiama daug konkrečių detalių, siekiant pateikti išsamų ir suprantamą išradimo įgyvendinimo varianto aprašymą. Tačiau, specialistas supras, kad įgyvendinimo pavyzdžiai neriboja išradimo taikymo, kuris gali būti įgyvendintas be šių specialių nurodymų. Norint išvengti klaidinimo, gerai žinomi metodai, procedūros ir komponentai nebuvo išsamiai aprašyti įgyvendinimo variante. Be to, šis aprašymas neturėtų būti laikomas apribojančiu išradimą tik pateiktais įgyvendinimo pavyzdžiais, o tik kaip vienu iš galimų išradimo įgyvendinimų.It should be understood that many specific details are provided in order to provide a complete and comprehensible description of an embodiment of the invention. However, one skilled in the art will appreciate that the exemplary embodiments are not intended to limit the application of the invention, which may be practiced without these specific instructions. To avoid confusion, well-known methods, procedures and components have not been described in detail in the embodiment. Furthermore, this description should not be construed as limiting the invention to the exemplary embodiments provided, but only as one possible embodiment of the invention.
Sutrumpinimai, naudojami išradimo aprašyme ir apibrėžtyje:Abbreviations used in the description and definition of the invention:
3D : trimatis3D : three-dimensional
4D : keturmatis4D : four dimensional
FTIR : Furjė transformacijos infraraudonųjų spindulių spektroskopijaFTIR : Fourier transform infrared spectroscopy
MAPTMS : 3-(trimetoksisilil)propilmetakrilatasMAPTMS : 3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate
MTMS : trimetoksimetilsilanasMTMS: trimethoxymethylsilane
PTFE : politetrafluoretilenasPTFE : polytetrafluoroethylene
SEM : skenuojančioji elektroninė mikroskopijaSEM : scanning electron microscopy
SLM : selektyvus lydymas lazeriuSLM : selective laser melting
TGA : termogravimetrinė analizėTGA: thermogravimetric analysis
UV : ultravioletinė spinduliuotėUV: Ultraviolet radiation
XRD : rentgeno spindulių difrakcijaXRD: X-ray diffraction
Pagal šį išradimą, kietų SiOxCy keraminių mikrostruktūrų gamyba apima foto kietinamos neorganinės-organinės hibridinės dervos gamybą, kompiuterine programa sukuriant 3D struktūros modelį, apšvitinant foto kietinamą neorganinę-organinę hibridinę dervą, kad būtų inicijuota lokalizuota ir kontroliuojama polimerizacija, kad susidarytų paveikta 3D forma, pagamintų konstrukcijų apdorojimą poliniame organiniame tirpiklyje, kad būtų pagamintos 3D prieškeraminės dervos struktūros; prieškeraminės polimerinės 3D struktūros pirolitinį transformavimą, kad susidarytų keraminė mikrostruktūra.According to the present invention, the production of solid SiOxCy ceramic microstructures includes the production of a photo-curable inorganic-organic hybrid resin, creating a 3D structure model with a computer program, irradiating the photo-curable inorganic-organic hybrid resin to initiate localized and controlled polymerization to form an affected 3D shape, to produce processing the structures in a polar organic solvent to produce 3D pre-ceramic resin structures; pyrolytic transformation of a pre-ceramic polymer 3D structure to form a ceramic microstructure.
Foto kietinamos neorganinės-organinės hibridinės dervos paruošimas apima šiuos etapus:The preparation of photo-curable inorganic-organic hybrid resin includes the following steps:
Pirmame etape, (a) pirmame alkoksisilano monomere viena alkoksilo grupė yra pakeista nepolimerizuojama grupe, kur nehidrolizuojama ir nepolimerizuojama grupė yra C1, ir kiti trys pakaitai yra hidrolizuojamos C1 alkanolio grupės; (b) antrajame alkoksisilano monomere viena alkoksilo grupė yra pakeista nehidrolizuojama polimerizuojama C7 akrilato grupe, ir kiti trys pakaitai yra hidrolizuojamos C1 alkanolio grupės.In a first step, (a) in the first alkoxysilane monomer, one alkyl group is replaced by a non-polymerizable group, wherein the non-hydrolyzable and non-polymerizable group is C1, and the other three substituents are hydrolyzable C1 alkanol groups; (b) in the second alkoxysilane monomer, one carboxyl group is replaced by a non-hydrolyzable polymerizable C7 acrylate group, and the other three substituents are hydrolyzable C1 alkanol groups.
Antrajame etape, (a) ir (b) pakeistų monomerų hidrolizė atliekama dalyvaujant vandeniui ir hidrolizės katalizatoriui uždaroje sistemoje, esant kambario temperatūrai, pavyzdžiui «25 °C, ir atmosferos slėgiui, pavyzdžiui «1013,25 mbar, tokiu būdu išskiriamas alkoholis, kuris tarnauja kaip įprastas tirpiklis. Hidrolizuoto (b) monomero tirpalas lašinamas į hidrolizuoto (a) monomero tirpalą, kad susidarytų mišinys.In a second step, the hydrolysis of the substituted monomers (a) and (b) is carried out in the presence of water and a hydrolysis catalyst in a closed system at room temperature, for example «25 °C, and atmospheric pressure, for example «1013.25 mbar, thereby releasing an alcohol that serves as a common solvent. A solution of hydrolyzed monomer (b) is added dropwise to a solution of hydrolyzed monomer (a) to form a mixture.
Trečiajame etape, antrojo etapo minėtų hidrolizuotų monomerų mišinio polikondensacija atliekama kaitinant oro atmosferoje, esant aukštesnei temperatūrai, pavyzdžiui, 50-100 °C, kai ši temperatūra palaikoma artima minėto alkoholio tirpiklio garavimo temperatūrai, pavyzdžiui 50-70 °C, ir žemiau minėtų hidrolizuotų monomerų virimo temperatūros, pavyzdžiui <102 °C. Pašalinami minėto alkoholio tirpiklio ir vandens garai.In the third step, the polycondensation of the mixture of said hydrolyzed monomers in the second step is carried out by heating in an air atmosphere at a higher temperature, for example 50-100 °C, when this temperature is maintained close to the evaporation temperature of said alcohol solvent, for example 50-70 °C, and below said hydrolyzed monomers boiling point, for example <102 °C. The vapors of the mentioned alcohol solvent and water are removed.
Po antro etapo į hidrolizuotų (a) ir (b) monomerų mišinį pasirinktinai pridedamas papildomas fotoiniciatorius, kad būtų gauta dar labiau jautri šviesai derva. Minėtas fotoiniciatorius gali inicijuoti polimerizaciją ir jo koncentracija yra 0,1-2 masės % pagal hidrolizuoto monomero (b) masę.After the second step, an additional photoinitiator is optionally added to the mixture of hydrolyzed monomers (a) and (b) to obtain an even more photosensitive resin. Said photoinitiator can initiate polymerization and its concentration is 0.1-2% by weight based on the weight of the hydrolyzed monomer (b).
Tinkamiausiame įgyvendinimo variante foto kietinama neorganinė-organinė hibridinė derva apima trimetoksimetilsilaną, kuris yra atsakingas už spausdintos 3D struktūros kietumą dėl mažo silicio ir anglies molinio santykio (1:1) po pirolizės. Trimetoksimetilsilano cheminė formulė yra (I):In a preferred embodiment, the photocurable inorganic-organic hybrid resin includes trimethoxymethylsilane, which is responsible for the hardness of the printed 3D structure due to the low molar ratio of silicon to carbon (1:1) after pyrolysis. The chemical formula of trimethoxymethylsilane is (I):
CH3 CH 3
H3C---O---Si---O---CH3 H 3 C---O---Si---O---CH 3
Ooh
I ch3 (i)I ch 3 (i)
Antrasis pirmojo etapo monomeras pasirenkamas siekiant užtikrinti fotopolimerizaciją. Tinkamiausiame įgyvendinimo variante antrasis pridėtas monomeras yra 3-(thmetoksisilil)propilmetakhlatas. 3-(Trimetoksisilil)propilmetakrilato cheminė formulė yra (II):The second monomer of the first step is chosen to ensure photopolymerization. In a preferred embodiment, the second added monomer is 3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate. The chemical formula of 3-(Trimethoxysilyl)propyl methacrylate is (II):
(H)(H)
Antrojo etapo pirmtakų, t.y. (I) ir (II) monomerų, hidrolizė atliekama taip: 3(trimetoksisilil)propilmetakhlatas yra hidrolizuojamas 0,01-1 M trifluoracto rūgšties (CF3COOH) tirpalu. Trimetoksimetilsilanas hidrolizuojamas 0,01-1 M druskos rūgštimi (HCI). Tuomet hidrolizuotas 3-(thmetoksisilil)propilmetakrilatas lašinamas į hidrolizuotą trimetoksimetilsilaną atitinkamai moliniu santykiu nuo 2:3 iki 1:9. Galiausiai į hidrolizuotų monomerų mišinį pridedama, 0,1-2 masės %, palyginus su MAPTMS mase, 2-benzil-2-(dimetilamino)-1-[4-(morfolinil)fenil)]-1-butanono foto iniciatoriaus. Tokia galutinė medžiaga maišoma 3 valandas ir filtruojama per 0,22 pm PTFE švirkšto filtrą. Kondensacijos metu ant skaidraus substrato susidaro medžiagos lašelis ir 7 valandas kaitinamas 50 °C temperatūroje. Lašo dydis priklauso nuo 3D keramikos struktūros, kuri bus suformuota. Kaitinimo metu įvyksta kondensacija, tarp komponentų susidaro kovalentiniai ryšiai, hidrolizuoti medžiagos MTMS ir MAPTMS ir hidrolizės produktai metanolis ir vanduo išgarinami. Potencialaus kondensacijos produkto cheminė formulė yra (III):Precursors of the second stage, i.e. The hydrolysis of monomers (I) and (II) is carried out as follows: 3(trimethoxysilyl)propylmethachlate is hydrolyzed with a 0.01-1 M trifluoroacetic acid (CF3COOH) solution. Trimethoxymethylsilane is hydrolyzed with 0.01-1 M hydrochloric acid (HCI). Hydrolyzed 3-(trimethoxysilyl)propyl methacrylate is then added dropwise to hydrolyzed trimethoxymethylsilane in a molar ratio of 2:3 to 1:9, respectively. Finally, 0.1-2% by weight of 2-benzyl-2-(dimethylamino)-1-[4-(morpholinyl)phenyl)]-1-butanone photoinitiator is added to the mixture of hydrolyzed monomers, compared to the weight of MAPTMS. Such final material is stirred for 3 hours and filtered through a 0.22 pm PTFE syringe filter. During condensation, a droplet of the substance is formed on a transparent substrate and heated at 50 °C for 7 hours. The size of the drop depends on the 3D ceramic structure that will be formed. During heating, condensation occurs, covalent bonds are formed between the components, the hydrolyzed substances MTMS and MAPTMS and the hydrolysis products methanol and water evaporate. The chemical formula of the potential condensation product is (III):
(III)(III)
Norint sukurti 3D/4D struktūrą, būtina turėti skaitmeninį jos modelį, kurį sukuria kompiuterinė programa priklausomai nuo foto spausdinimo technologijos.In order to create a 3D/4D structure, it is necessary to have a digital model of it, which is created by a computer program depending on the photo printing technology.
Po kondensacijos atliekamas foto kietinamos neorganinės-organinės hibridinės dervos (III) apšvitinimas, siekiant inicijuoti lokalizuotą ir kontroliuojamą polimerizaciją, kad susidarytų paveikta 3D forma, t. y. 3D spausdintas keramikinis objektas.Condensation is followed by irradiation of the photocurable inorganic-organic hybrid resin (III) to initiate localized and controlled polymerization to form an affected 3D shape, i.e. i.e. 3D printed ceramic object.
3D struktūrizavimas gali būti atliktas apšvitinant foto kietinamą neorganinęorganinę hibridinę dervą pagal išradimą, panaudojant: stereolitografinį spausdintuvą, UV litografiją, naudojant kaukę, interferencinę litografiją, elektronų arba jonų pluošto litografiją, femtosekundinį lazerio šaltinį.3D structuring can be performed by irradiation of the photo-curable inorganic-organic hybrid resin according to the invention using: stereolithography printer, UV lithography, using a mask, interference lithography, electron or ion beam lithography, femtosecond laser source.
3D struktūrizavimas, naudojant femtosekundinį lazerį, apima daugiafotonės polimerizacijos metodą: 50 - 600 fs trukmės, 220 - 1100 nm bangos ilgio ir 50 kHz 80 MHz pasikartojimo dažnio impulsų impulsinis lazerio spindulys sufokusuojamas objektyvu, kurio apertūra 0,2 - 1,4 NA.3D structuring using a femtosecond laser involves a multiphoton polymerization method: a pulsed laser beam with a duration of 50 - 600 fs, a wavelength of 220 - 1100 nm and a repetition rate of 50 kHz - 80 MHz is focused by a lens with an aperture of 0.2 - 1.4 NA.
3D struktūrizavimas, naudojant stereolitografinio spausdintuvo struktūrizavimą, apima ultravioletinio (UV) lazerio fokusavimą į foto kietinamos neorganinės-organinės hibridinės dervos pagal šį išradimą rezervuarą. Foto kietinama neorganinė-organinė hibridinė derva yra fotochemiškai sukietinama ir sudaro vieną norimo 3D objekto sluoksnį. Tuomet, gamybos platforma pasislenka vieną sluoksnį žemyn ir mentė padengia talpos viršų medžiaga. Šis procesas kartojamas kiekvienam gaminio sluoksniui, kol baigiamas formuoti 3D objektas.3D structuring using stereolithography printer structuring involves focusing an ultraviolet (UV) laser into a reservoir of a photocurable inorganic-organic hybrid resin according to the present invention. A photo-curable inorganic-organic hybrid resin is photochemically cured to form a single layer of the desired 3D object. Then, the production platform moves down one layer and the vane covers the top of the container with material. This process is repeated for each layer of the product until the 3D object is formed.
3D struktūrizavimas švitinant foto kietinamą neorganinę-organinę hibridinę dervą pagal išradimą naudojant UV litografiją su kauke, fotokaukė tiesiogiai kontaktuoja su organine silicio medžiaga ir pro kaukę prasiskverbia šviesa. Raštuotos kaukės sritys yra skirtos blokuoti šviesą, todėl kaukės rašto negatyvas perkeliamas į medžiagą.3D structuring by irradiation of the photocurable inorganic-organic hybrid resin according to the invention using UV lithography with a mask, the photomask is in direct contact with the organic silicon material and light is transmitted through the mask. The patterned areas of the mask are designed to block light, so the negative of the mask pattern is transferred to the material.
3D struktūrizavimas apšvitinant foto kietinamą neorganinę-organinę hibridinę dervą naudojant interferencinę litografiją, apima koherentinio UV lazerio spindulio praleidimą per erdvinį filtrą, kad būtų galima išvalyti ir išplėsti. Veidrodis ir substratas, padengtas foto kietinama neorganine-organine hibridine derva, yra surinkti statmenai vienas kitam. Išplėstas lazerio spindulys vienu metu atsitrenkia į veidrodį ir substratą, padengtą foto kietinama neorganine-organine hibridine derva. Atspindys nuo veidrodžio taip pat atsitrenkia į substratą. Įeinanti šviesa ir atspindėta šviesa interferuoja substrate sukuriant pastovią bangą, turinčią 2-D taisyklingą šviesių ir tamsių dėmių raštą.3D structuring by irradiation of a photocurable inorganic-organic hybrid resin using interference lithography involves passing a coherent UV laser beam through a spatial filter for cleaning and expansion. The mirror and the substrate coated with a photo-curable inorganic-organic hybrid resin are assembled perpendicular to each other. The expanded laser beam simultaneously hits a mirror and a substrate coated with a photo-curable inorganic-organic hybrid resin. The reflection from the mirror also hits the substrate. Incoming light and reflected light interfere in the substrate to create a standing wave with a 2-D regular pattern of bright and dark spots.
3D struktūrizavimas apšvitinant foto kietinamą neorganinę-organinę hibridinę dervą, naudojant elektronų arba jonų pluošto litografiją, apima jonų arba elektronų pluošto fokusavimą, paveikiantį raštuotą modelį per paviršių, sukuriant labai mažas struktūras. Jonų pluošto litografija reiškia tiesioginį rašymo procesą, kurio metu naudojamas siauras skenuojantis jonų pluošto šaltinis (pvz., 20 nm skersmens), paprastai iš galio jonų. Elektronų pluošto litografijos atveju mažesnės skiriamosios gebos sistemos gali naudoti terminius šaltinius, kurie dažniausiai yra sudaryti iš lantano heksaborido. Sistemose, kurioms taikomi didesnės skiriamosios gebos reikalavimai, reikia naudoti lauko elektronų emisijos šaltinius, tokius kaip šildomas W/ZrO2.3D structuring of an irradiation photocurable inorganic-organic hybrid resin using electron or ion beam lithography involves focusing an ion or electron beam to impact a patterned pattern across the surface to create very small structures. Ion beam lithography refers to a direct writing process that uses a narrow scanning ion beam source (e.g., 20 nm in diameter), usually made of gallium ions. In the case of electron beam lithography, lower resolution systems can use thermal sources that are usually composed of lanthanum hexaboride. Systems with higher resolution requirements require the use of field electron emission sources such as heated W/ZrO2.
Po foto kietinamos neorganinės-organinės hibridinės dervos pagal išradimą, fotopolimerizacijos, naudojant bet kurį iš aukščiau paminėtų metodų, struktūrų, pagamintų bet kuriuo iš aukščiau išvardytų metodų, apdorojimas atliekamas poliniame organiniame tirpiklyje, kad būtų sukurtos 3D prieškeraminės struktūros. Minėtas polinis organinis tirpiklis, kaip buvo minėta, yra acetonas, metilizobutilketonas arba izopropanolis.After the photocurable inorganic-organic hybrid resin of the invention, photopolymerization using any of the above-mentioned methods, the structures produced by any of the above-mentioned methods are treated in a polar organic solvent to create 3D pre-ceramic structures. Said polar organic solvent is, as mentioned, acetone, methyl isobutyl ketone or isopropanol.
Galutinis keraminio 3D spausdinto objekto gamybos etapas yra pirolizė inertinėje atmosferoje. Gauta organinė silicio 3D forma neturi didelio kietumo, todėl turi būti atliekama jos pirolizė inertinėje atmosferoje. 3D struktūra patalpinta į aukštos temperatūros vamzdinę krosnį. Krosnis vakuumuojama, įleidžiamos inertinės dujos ir tokia procedūra kartojama tris kartus. Ilgainiui išlieka nenutrūkstamas inertinių dujų srautas. 3D struktūros atkaitinamos ant korundo substrato 5 valandas 1000 °C, inertinėje atmosferoje, kai temperatūros kilimo greitis yra 2 °C/min, ir tada 3D struktūros atvėsinamos iki kambario temperatūros. Inertinė atmosfera yra argono arba azoto atmosfera.The final step in the production of a ceramic 3D printed object is pyrolysis in an inert atmosphere. The resulting organic silicon 3D form does not have a high hardness, so it must be pyrolyzed in an inert atmosphere. The 3D structure is placed in a high temperature tube furnace. The furnace is vacuumed, inert gas is introduced and this procedure is repeated three times. In the long run, a continuous flow of inert gas remains. The 3D structures were annealed on the corundum substrate for 5 h at 1000 °C in an inert atmosphere at a temperature rise rate of 2 °C/min, and then the 3D structures were cooled to room temperature. An inert atmosphere is an argon or nitrogen atmosphere.
IŠRADIMO ĮGYVENDINIMO PAVYZDŽIAIEXAMPLES OF IMPLEMENTATION OF THE INVENTION
Pagal konkretų pavyzdį pasirinkta foto kietinama neorganinė-organinė hibridinė derva susideda iš 1 masės dalies MAPTMS ir 4 dalių MTMS. MTMS ir MAPTMS pirmtakų hidrolizė yra vykdoma naudojant 0,1 M rūgšties tirpalą, o fotoiniciatoriaus kiekis yra 1 masės %, skaičiuojant pagal MAPTMS. Struktūros gaminamos lazerinės litografijos technologija; gamybos parametrai ir tolesnis procesas vyko taip, kaip aprašyta skyriuje „Detalus išradimo aprašymas”.According to a specific example, the selected photo-curable inorganic-organic hybrid resin consists of 1 part by mass of MAPTMS and 4 parts of MTMS. Hydrolysis of the MTMS and MAPTMS precursors is carried out using a 0.1 M acid solution and the amount of photoinitiator is 1 wt% based on MAPTMS. Structures are produced by laser lithography technology; the manufacturing parameters and the subsequent process were as described in the "Detailed Description of the Invention" section.
Vėliau struktūros buvo tiriamos skenuojančiu elektroniniu mikroskopu (SEM), kad būtų patvirtintas smulkių paviršiaus detalių išlikimas (Pav. 1). SEM mikrografijose rodomas tikslių savybių 3D periodinis giroidas (a-c) ir 3D fulereno formos struktūra (C60) su mažesniu fulerenu (C60) viduje (d, e) struktūrose, pagamintose naudojant lazerinę litografiją. Kiekvienu atveju kairėje pusėje - pradinė struktūra, o dešinėje termiškai apdorota struktūra.The structures were subsequently examined with a scanning electron microscope (SEM) to confirm the preservation of fine surface details (Fig. 1). SEM micrographs show a 3D periodic gyroid with precise features (a-c) and a 3D fullerene-shaped structure (C60) with smaller fullerene (C60) inside (d,e) structures fabricated using laser lithography. In each case, the original structure is on the left, and the heat-treated structure on the right.
Gautos struktūros po terminio apdorojimo išlaiko savo formą be jokių iškraipymų ir įtrūkimų, išskyrus simetrišką formos susitraukimą.The resulting structures retain their shape after heat treatment without any distortions and cracks, except for symmetrical shrinkage of the shape.
FTIR analizė pasirinkta įvertinti cheminės sandaros pokyčiams paruoštuose zoliuose, geliuose, polimeruose ir keramikoje. Būdingos FTIR absorbcijos smailės suteikia kokybinę informaciją apie hidrolizę, kondensaciją, polimerizaciją ir pirolizę.FTIR analysis was chosen to evaluate changes in chemical structure in prepared sols, gels, polymers and ceramics. Characteristic FTIR absorption peaks provide qualitative information on hydrolysis, condensation, polymerization, and pyrolysis.
Plačios juostos sugertis esanti ties «3350 cm-1 bangos ilgiu būdinga ašinei Si-OH arba C-OH grupių deformacijai, kuri atitinka galines hidrolizuotas silanų arba metanolio grupes, susidariusias po hidrolizės. Akivaizdu, kad kondensacijos metu iš medžiagos pasišalina metanolis, todėl gelio spektruose sumažėja -OH grupių juosta («3330 cm-1).The broad band absorption at «3350 cm -1 wavelength is characteristic of the axial deformation of Si-OH or C-OH groups, which corresponds to the terminal hydrolyzed silane or methanol groups formed after hydrolysis. It is obvious that methanol is removed from the material during condensation, which is why the band of -OH groups («3330 cm -1 ) in the gel spectra decreases.
Vykstant kondensacijai ir fotopolimerizacijai, C=O absorbcija ties 1720 cm-1, būdinga esteriams, tampa platesnė, suskyla į dvi smailes ir pasislenka į didesnį bangų skaičių dėl C=O jungčių judrumo pasikeitimo po polimerizacijos. Be to, Si-O-C juosta po kondensacijos beveik išnyksta, patvirtindama pilną zolio hidrolizę ir kondensaciją. Po apšvitinimo (kai susidaro polimeras), C=C ryšiui priskiriamos smailės maždaug ties 1640-1620 cm-1 sumažėja, o tai rodo, kad vyksta gelio akrilato grupių polimerizacija (žiūr. Pav. 2 intarpą).During condensation and photopolymerization, the absorption of C=O at 1720 cm -1 , characteristic of esters, becomes broader, splits into two peaks and shifts to a higher wave number due to the change in the mobility of C=O bonds after polymerization. Furthermore, the Si-OC band almost disappears after condensation, confirming the complete hydrolysis and condensation of the sol. After irradiation (when the polymer is formed), the peaks attributed to the C=C bond around 1640-1620 cm -1 decrease, indicating that the polymerization of the acrylate groups in the gel is taking place (see the inset of Fig. 2).
FTIR spektrai rodo pagrindinio polimero virsmo į keramiką ryšių persitvarkymus. Medžiaga, pirolizuota 1000 °C turi tris smailes, priskiriamas tik neorganiniams ryšiams («800 cm-1 Si-C; «440 cm-1 ir «1010 cm-1 Si-O-Si svyravimas ir tempimas, atitinkamai), rodo, kad organinės medžiagos nelieka ir susidaro tik neorganinis SiOxCy junginys.FTIR spectra show the bond rearrangements of the main polymer to ceramic transformation. The material pyrolyzed at 1000 °C has three peaks attributed only to inorganic bonds («800 cm -1 Si-C; «440 cm -1 and «1010 cm -1 Si-O-Si oscillation and stretching, respectively), indicating that no organic material remains and only the inorganic compound SiOxCy is formed.
Pagamintų zolio, gelio ir polimero lūžio rodikliai rodo pralaidumą elektromagnetinėms bangoms, padeda nustatyti gamybos koeficientą, kad būtų išvengta netikslumų, atsirandančių dėl šviesos kelio per medžiagą. Lūžio rodiklių matavimo rezultatai pavaizduoti Pav. 3.The refractive indices of the produced sol, gel and polymer indicate the permeability to electromagnetic waves, helping to determine the production factor to avoid inaccuracies due to the path of light through the material. The results of measuring the refractive indices are shown in Fig. 3.
Pirolitinė transformacija iš prieškeraminio polimero į keraminį buvo tiriama termogravimetrine analize azoto atmosferoje (Pav. 4). TGA analizė parodė, kad pirmtakai beveik visiškai suyra/išgaruoja egzoterminių procesų metu žemose temperatūrose (iki 300 °C) (likutinės masės MAPTMS « 2,2%, MTMS « 0%). Foto kietinamos neorganinės-organinės hibridinės dervos šiluminėje gravimetrinėje kreivėje stebimi keturi pagrindiniai skilimai. Pirmosios dvi neintensyvios (iki 300 °C) smailės gali būti siejamos su nesureagavusių pirmtakų skilimu hidrolizės, kondensacijos ir fotopolimerizacijos metu. Foto kietinama neorganinė-organinė hibridinė derva endoterminiu būdu greičiausiai suyra 450 °C temperatūroje, o tai gali būti siejama su organinės dalies skilimu. Galiausiai 950 °C temperatūroje susidaro amorfinis SiOxCy ir lieka 76 % pradinės medžiagos masės. Šie rezultatai rodo, kad būtina atlikti hidrolizės ir kondensacijos procedūrą, kitu atveju po kaitinimo pirmtakai suyra žemoje temperatūroje nepavirsdami į keramiką.The pyrolytic transformation from pre-ceramic polymer to ceramic was investigated by thermogravimetric analysis under nitrogen atmosphere (Fig. 4). TGA analysis showed that the precursors almost completely decompose/evaporate during exothermic processes at low temperatures (up to 300 °C) (residual mass MAPTMS « 2.2%, MTMS « 0%). Four main decompositions are observed in the thermal gravimetric curve of the photocurable inorganic-organic hybrid resin. The first two non-intense (up to 300 °C) peaks can be attributed to the decomposition of unreacted precursors during hydrolysis, condensation and photopolymerization. The photocurable inorganic-organic hybrid resin undergoes endothermic decomposition most likely at 450 °C, which can be attributed to the decomposition of the organic part. Finally, at 950 °C, amorphous SiOxCy is formed and 76% of the original mass remains. These results indicate that a hydrolysis and condensation procedure is necessary, otherwise, after heating, the precursors decompose at low temperatures without turning into ceramics.
Rentgeno spindulių difrakcijos (XRD) analizė buvo atlikta naudojant Rigaku MiniFlex II difraktometrą, veikiantį Bragg-Brentano (θ/2θ) geometrijoje. Duomenys buvo surinkti 2Θ kampo ribose nuo 5° iki 80°, matuojant 0,01° žingsniu ir 10 °/min. skenavimo greičiu, naudojant Cu Ka šaltinį su Ni filtru. SiOxCy keraminės struktūros, iškaitintos 1000 °C azoto atmosferoje, rentgeno spindulių difrakcijos analizės rezultatai yra pavaizduoti Pav. 5. Pirolizės produktui plačios smailės ties maždaug 10°, 22,5° ir maždaug 55° - 80° rodo atitinkamai amorfinių/stiklinių SiOC ir β-SiC keraminių medžiagų charakteristikas [Shi, Huimin & Yuan, Anboa & Xu, Jiaqiang. Tailored synthesis of monodispersed nano/submicron porous silicon oxycarbide (SiOC) spheres with improved Li-storage performance as an anode material for Li-ion batteries. (2017). Journal of Power Sources. 364, 1, 288-298.X-ray diffraction (XRD) analysis was performed using a Rigaku MiniFlex II diffractometer operating in Bragg-Brentan (θ/2θ) geometry. Data were collected over a 2Θ angle range from 5° to 80°, measured in 0.01° increments and at 10°/min. at scan rate using a Cu Ka source with a Ni filter. The results of the X-ray diffraction analysis of the SiOxCy ceramic structure fired at 1000 °C in a nitrogen atmosphere are shown in Fig. 5. For the pyrolysis product, the broad peaks at about 10°, 22.5° and about 55° - 80° indicate the characteristics of amorphous/glassy SiOC and β-SiC ceramics, respectively [Shi, Huimin & Yuan, Anboa & Xu, Jiaqiang. Tailored synthesis of monodispersed nano/submicron porous silicon oxycarbide (SiOC) spheres with improved Li-storage performance as an anode material for Li-ion batteries. (2017). Journal of Power Sources. 364, 1, 288-298.
10.1016/j.jpowsour.2017.08.051 ].10.1016/j.jpowsour.2017.08.051 ].
Mechaninės savybės, tokios kaip kietumas ir pagamintos keraminės plokštės bei lydyto kvarco Jungo modulio (PN: 5-0098-2) charakteristikos buvo išmatuotos Hysitron TI Premier nanoindenteriu su Berkovich deimantiniu zondu, kurio spindulys yra maždaug 87 nm. Devynios įpjovos, išdėstytos kvadratu, buvo padarytos kiekviename pavyzdyje, naudojant apkrova valdomą dalinio iškrovimo metodą, kai apkrovos yra nuo 100 mN iki 5 N.Mechanical properties such as hardness and characteristics of the fabricated ceramic plate and fused quartz Jungian modulus (PN: 5-0098-2) were measured using a Hysitron TI Premier nanoindenter with a Berkovich diamond probe with a radius of approximately 87 nm. Nine notches arranged in a square pattern were made in each specimen using the load-controlled partial unloading method with loads ranging from 100 mN to 5 N.
Pav. 6a parodyta pagamintos SiOxCy keraminės plokštės ir lydyto kvarco (PN: 5-0098-2) kietumas ir Jungo modulis. Apskaičiuotas keramikos kietumas yra 12,30 ± 0,17 GPa, o lydyto kvarco nuoroda - 10,39 ± 0,34 GPa. Jungo modulis taip pat viršija lydyto kvarco reikšmę (69,45 ± 1,17 GPa), kuri yra 88,47 ± 4,15 GPa.Fig. 6a shows the hardness and Jung's modulus of the fabricated SiOxCy ceramic plate and fused quartz (PN: 5-0098-2). The estimated hardness of the ceramic is 12.30 ± 0.17 GPa, while the fused quartz reference is 10.39 ± 0.34 GPa. Jung's modulus also exceeds that of fused quartz (69.45 ± 1.17 GPa), which is 88.47 ± 4.15 GPa.
Nors šiame išradimo aprašyme buvo išvardyta daugybė charakteristikų ir pranašumų kartu su konstrukcinėmis detalėmis ir ypatumais, aprašymas pateikiamas kaip išradimo įgyvendinimo pavyzdys. Nenukrypstant nuo išradimo principų, gali pasikeisti detalės, ypač forma, dydis ir išdėstymas, atsižvelgiant į plačiausiai suprantamas apibrėžties punktuose vartojamų sąvokų ir apibrėžimų reikšmes.Although this description of the invention has listed numerous characteristics and advantages along with constructional details and features, the description is presented as an exemplary embodiment of the invention. Without departing from the principles of the invention, the details, in particular the shape, size and arrangement, may vary according to the most widely understood meanings of the terms and definitions used in the claims.
Claims (14)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
LT2022537A LT7057B (en) | 2022-09-14 | 2022-09-14 | A method for production of a photo-curable inorganic-organic hybrid resin and a method for production of hard sioxcy ceramic microstructures using the photo-curable inorganic-organic hybrid resin |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
LT2022537A LT7057B (en) | 2022-09-14 | 2022-09-14 | A method for production of a photo-curable inorganic-organic hybrid resin and a method for production of hard sioxcy ceramic microstructures using the photo-curable inorganic-organic hybrid resin |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
LT2022537A LT2022537A (en) | 2024-03-25 |
LT7057B true LT7057B (en) | 2024-04-25 |
Family
ID=90344808
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
LT2022537A LT7057B (en) | 2022-09-14 | 2022-09-14 | A method for production of a photo-curable inorganic-organic hybrid resin and a method for production of hard sioxcy ceramic microstructures using the photo-curable inorganic-organic hybrid resin |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
LT (1) | LT7057B (en) |
-
2022
- 2022-09-14 LT LT2022537A patent/LT7057B/en unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
LT2022537A (en) | 2024-03-25 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Zhang et al. | 3D printing of glass by additive manufacturing techniques: a review | |
Chen et al. | 3D printing of ceramics: A review | |
US20210139720A1 (en) | 3d polymerizable ceramic inks | |
KR102395719B1 (en) | Composition and method for the production of moldings made of high-purity transparent quartz glass by additive manufacturing | |
Merkininkaitė et al. | Laser additive manufacturing of Si/ZrO2 tunable crystalline phase 3D nanostructures | |
Konstantinou et al. | Additive micro-manufacturing of crack-free PDCs by two-photon polymerization of a single, low-shrinkage preceramic resin | |
De Marzi et al. | Hybrid additive manufacturing for the fabrication of freeform transparent silica glass components | |
US20220119317A1 (en) | Composition and method for making parts consisting of oxide ceramics or hybrid parts by a stereolithographic technique | |
EP1499490B1 (en) | Method for producing three-dimensional bodies or three-dimensional surfaces by laser radiation | |
Bottein et al. | Environment-controlled sol–gel soft-NIL processing for optimized titania, alumina, silica and yttria-zirconia imprinting at sub-micron dimensions | |
CN111825333B (en) | Glass paste, preparation method thereof and method for 3D printing of glass device | |
Balčas et al. | Fabrication of glass‐ceramic 3D micro‐optics by combining laser lithography and calcination | |
Mamatha et al. | Digital light processing of ceramics: An overview on process, materials and challenges | |
Malinauskas et al. | Nanophotonic lithography: a versatile tool for manufacturing functional three-dimensional micro-/nano-objects | |
Ridaoui et al. | Direct ArF laser photopatterning of metal oxide nanostructures prepared by the sol–gel route | |
CN110651226B (en) | Nanoimprint lithography method and patterned substrate obtained thereby | |
Rebollar et al. | Laser interactions with organic/polymer materials | |
Merkininkaite et al. | Additive manufacturing of SiOC, SiC, and Si3N4 ceramic 3D microstructures | |
Kang et al. | Light-induced surface patterning of silica | |
Han et al. | Nanowire enhanced dimensional accuracy in acrylate resin-based 3D printing | |
LT7057B (en) | A method for production of a photo-curable inorganic-organic hybrid resin and a method for production of hard sioxcy ceramic microstructures using the photo-curable inorganic-organic hybrid resin | |
US20220274867A1 (en) | Dense glass-ceramic articles via additive manufacture of glass frit | |
Yang et al. | Additive process using femto-second laser for manufacturing three-dimensional nano/micro-structures | |
CN112358292A (en) | Preparation method of metal oxide ceramic with three-dimensional nano structure | |
EP3848201A1 (en) | Printing of inherently porous three-dimensional polymer objects |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
BB1A | Patent application published |
Effective date: 20240325 |
|
FG9A | Patent granted |
Effective date: 20240425 |