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  功能梯度材料（FGM）的成分/結構在空間上梯度變化以實現其機械、熱膨脹、介電性能或其他性能的梯度變化。由于其可調控的多功能特性及對特定應用需求的高度適應性，功能梯度材料的設計、構建和應用一直是材料科學和材料加工領域的研究熱點，其在微電子、航空航天、軟體機器人及生物醫學工程等領域具有重要應用價值。然而功能梯度材料在空間上的各向異性不可避免地與傳統制造技術 (如鑄造、切削及注塑等) 不兼容，功能梯度材料的三維精準構建一直是材料加工領域的重大挑戰之一。

（1）半色調灰度光固化技術的開發及力學梯度材料的構建

  在外部條件刺激下 (壓力、溫度和光照等) ，力學梯度材料可產生各向異性變形，這種梯度響應特性為軟體機器人技術帶來了新的契機。通過使用灰度掩模，基于數字微振鏡 (DMD) 的立體光刻3D打印技術在空間上定義材料的光聚合程度，可以實現力學梯度材料的構建。然而，DMD灰度光固化依靠256級灰度掩模 (8-bit) 來調控曝光能量的梯度分布，與大多數投影式光固化設備（如LCD設備）并不兼容。為解決這一局限，基于數字半色調圖像處理技術，費廣海、Rob Ameloot團隊開發了一種能在任何投影式光固化設備（DMD或LCD設備）上實現梯度打印的新型灰度打印技術，突破了長期以來灰度光固化只能依靠DMD打印機來實現的限制。相關成果以Digital Halftoning for Printer-Independent Stereolithography of Functionally Graded Materials為題發表于Cell Reports Physical Science（Cell Press、封面文章）。

圖1 半色調灰度光固化技術

（2）數字光固化和選擇性溶解工藝的開發及“孔隙率和填料含量”雙重梯度的實現

  微觀結構復雜且具有微米孔徑 (<50 μm) 和梯度孔隙率的多孔材料在醫學植入體和微流控等領域有巨大潛力。然而，傳統的材料加工技術不適合制造這種三維、復雜的梯度多孔材料。結合光固化技術和化學溶解策略，費廣海、Rob Ameloot團隊開發了一種數字灰度光固化和選擇性溶解工藝來實現梯度多孔材料的制備。在數字灰度曝光策略的作用下，光敏樹脂發生梯度交聯反應，形成具有梯度交聯密度的高分子網絡。打印樣品浸入清洗溶劑后，通過調整溶劑濃度和浸泡程序來控制高分子的交聯網絡溶脹程度，從而使溶劑有選擇性地滲透到交聯密度較低的區域 (溶脹速度較快) ，溶解填料并形成梯度多孔材料。相關成果以Stereolithographic 3D Printing of Graded Porous Materials via an Integrated Digital Exposure and Selective Dissolution Strategy為題發表于Cell Reports Physical Science。

圖2 數字光固化和選擇性溶解技術

（3）各類灰度立體光刻技術的總結及應用

  灰度立體光刻技術通過精確控制3D打印過程的曝光能量和高分子的聚合度來制備功能梯度材料。這項綜合性工作深入研究了各種灰度光固化3D打印技術及其工作機理（光能控制原理及高分子聚合機制），分析了各類技術的優缺點及其應用場景，提供了改進灰度光固化3D打印的方法。相關成果以From Grayscale Photopolymerization 3D Printing to Functionally Graded Materials為題發表于Advanced Functional Materials（封面文章）。

圖3 各類灰度立體光刻技術的對比

  除了灰度立體光刻技術的開發，費廣海團隊還開發了電場輔助光固化技術和可逐層調控打印參數的多材料光固化技術，實現了半導體器件的原位梯度封裝，擴展了光固化技術在微電子領域的應用。相關成果分別以Multi-material and parameter-controllable stereolithography 3D printing of graded permittivity composites for high voltage insulators和Electrically assisted stereolithography 3D printing of graded permittivity composites for in-situ encapsulation of insulated gate bipolar transistors (IGBTs)為題發表在材料加工領域權威期刊Virtual and Physical Prototyping和Materials & Design 。

  原文鏈接：  

  https://doi.org/10.1080/17452759.2023.2271447

  https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.112220