[发明专利]一种用于光固化3D打印玻璃的低粘度浆料及其应用

说明书

本发明提供一种用于光固化3D打印玻璃的低粘度浆料及其应用，该低粘度浆料的制备方法包括：配制预混液：按照50～95wt％的单官能团光固化单体和5～50wt％的交联剂混合得到溶液一，再按照30～100wt％的溶液一和0～70wt％的非反应成分混合，混合均匀后得到预混液；配制二氧化硅浆料：按照20～80wt％预混液和20～80wt％二氧化硅粉末先混合均匀，再加入占预混液的量为0.1～5wt％光引发剂、0～5wt％抑制剂和0～3wt％紫外吸收剂，继续混合均匀后除气泡。利用该浆料及其制备方法通过光固化3D打印及热处理可以制备高质量的具有复杂结构的石英玻璃器件，无需借助模具，设计和生产周期短，相比传统工艺具有低能耗、低成本的优点。

技术领域

本发明涉及光固化材料技术领域，具体涉及一种用于光固化3D打印玻璃的低粘度浆料及其应用。

背景技术

石英玻璃被称为“玻璃之王”，具有耐高温、耐热震、热膨胀系数低、化学稳定性和电绝缘性好、硬度大、在紫外到近红外的整个光谱波段都有很好的透过性能等优点，广泛应用于如光纤、激光、电光源、半导体集成电路、化工、冶金、航空航天和核工业等领域。尽管石英玻璃具有十分优异的性能，但是因为其存在制备成本高、复杂器件成形困难、难以加工等问题，因而限制了石英玻璃的使用。

传统的石英玻璃的制备技术主要是高温熔融法、化学合成法和溶胶-凝胶法等。高温熔融法是以天然水晶、硅石为原料，经高温熔化而成，熔制方法有电熔法和气炼法。高温熔融法工艺简单，是石英玻璃最常用的制备方法，但所制备的石英玻璃纯度低、紫外透过率差，有较多气泡、杂点等缺陷，严重影响其光学性能，无法满足高端光电技术领域的应用需求。另外，因为石英玻璃的熔制温度高达1700℃以上，所以能耗较大。化学合成法分为化学气相沉积法(CVD)、等离子化学气相沉积法(PCVD)和间接合成法，CVD或PCVD是将含硅的前驱体如SiCl₄，通过氢氧或等离子火焰加热，高温水解或氧化生成二氧化硅微粒，并逐层沉积在基体上形成石英玻璃；间接合成法是将含硅的前驱体如SiCl₄，先通过低温CVD工艺，沉积形成低密度二氧化硅疏松体，然后再通过烧结达到玻璃化。化学合成法所制备的石英玻璃纯度高、光学均匀性好，但是其生产设备复杂、成本较高、产量低，只适用于高品质石英玻璃的制造。溶胶-凝胶法可以以较低的温度制备石英玻璃，但是制备过程坯体易开裂，难以获得大块玻璃，而且反应时间较长，不利于工业化规模生产。

石英玻璃因为熔化温度高、粘度大，气泡难以排除，相比普通玻璃更难进行热成形，在高温下借助模具只能获得棒状、块状、石英管、石英坩埚等简单结构的石英产品。复杂形状的石英玻璃器件一般都是先通过合成大块的石英坨，再进行机加工处理。由于石英玻璃属于硬脆性材料，加工十分困难，传统的加工方式主要有机械研磨和抛光、化学刻蚀、等离子刻蚀及激光加工等。机械研磨和抛光加工速度慢，一般只用来处理玻璃表面，难以加工出复杂形状。化学刻蚀主要是借助光刻掩膜和湿法刻蚀在玻璃表面刻蚀出微结构，化学刻蚀表面质量较高，但刻蚀率较低、刻蚀各向同性难以控制而且需要使用危险性较大的氢氟酸。等离子刻蚀是借助光刻掩膜在低温等离子体中，利用等离子体和表面薄膜反应，形成挥发性物质，或直接轰击薄膜表面进行刻蚀。等离子刻蚀为各向异性、刻蚀速率高，但是刻蚀精度不够、成本较高。激光刻蚀分为激光直接刻蚀法、激光诱导等离子体刻蚀法和激光诱导背部湿刻法等，激光直接刻蚀法是利用高能激光束直接作用在石英玻璃表面，使玻璃熔化、汽化从而完成刻蚀；激光诱导等离子体刻蚀法和激光诱导背部湿刻法都是利用激光透过石英玻璃与靶材相互作用，产生等离子体来实现对石英玻璃底面的刻蚀；激光刻蚀灵活性高，可以方便地加工各种复杂结构，但是刻蚀速率较低、成本较高。