光散射是陶瓷光固化（DLP）過程中固有的難題，也是實(shí)現(xiàn)高精度、高分辨率成形的關(guān)鍵障礙。盡管已提出多種散射抑制策略，但效果有限，嚴(yán)重制約了特征尺寸在數(shù)十微米級的功能器件制造，限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

近日，湖南大學(xué)韓曉筱教授團(tuán)隊(duì)在《International Journal of Extreme Manufacturing》期刊發(fā)表了題為“A dual-functional curcumin strategy for light scattering mitigation in high-fidelity DLP ceramic 3D printing”的研究論文。該研究提出了一種新型光散射抑制策略，引入多功能反應(yīng)性添加劑姜黃素，有效抑制了由散射光引起的非目標(biāo)區(qū)域聚合，制造出尺寸保真度接近光學(xué)分辨率極限（~2.6 pixels）的精細(xì)結(jié)構(gòu)。該策略在低濃度下即可有效抑制散射，成本低，工藝窗口寬，且可推廣至多種陶瓷體系。為提升DLP陶瓷打印的分辨率提供了一種簡單且通用的方法，推動了精細(xì)尺度（<50 μm）陶瓷結(jié)構(gòu)的可靠制造。

研究首先揭示了陶瓷漿料中以米氏散射為主、瑞利散射為輔的光散射機(jī)制（圖1a，b）。當(dāng)非目標(biāo)區(qū)域的散射光能量超過聚合閾值時，會發(fā)生非預(yù)期固化，表現(xiàn)為固化寬度增大、深度減?。▓D1c），進(jìn)而導(dǎo)致橫向分辨率降低和層間結(jié)合強(qiáng)度下降（圖1d）。傳統(tǒng)光吸收劑（圖1e）抑制散射光能力有限，且過量添加會犧牲打印效率與力學(xué)性能。為此，團(tuán)隊(duì)引入兼具物理光吸收與化學(xué)自由基清除功能的多功能反應(yīng)性添加劑——姜黃素（圖1f），有效抑制了由散射光引起的非目標(biāo)區(qū)域聚合。

為闡明姜黃素抑制光散射的機(jī)理（圖2a），首先通過電子順磁共振（EPR）實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，僅添加0.02 wt%的姜黃素即可使自由基信號強(qiáng)度顯著下降，證實(shí)了其高效的自由基清除能力（圖2b）。進(jìn)一步利用傅里葉變換紅外光譜（FT-IR）實(shí)驗(yàn)（圖2c-g）表明，相較于樹脂單體，自由基優(yōu)先與姜黃素發(fā)生反應(yīng)，驗(yàn)證姜黃素具有更強(qiáng)的自由基捕獲能力。通過調(diào)節(jié)姜黃素濃度，可選擇性地抑制非目標(biāo)區(qū)域的固化，從而有效提升打印精度。

為系統(tǒng)分析不同添加劑體系對打印分辨率的影響，研究首先采用輪輻圖案對分辨率進(jìn)行量化（圖3a）。對比單層打印實(shí)驗(yàn)（圖3b-e），無論是在純樹脂體系，還是在Al2O3或SiC漿料體系中，姜黃素均能維持極低的未解析分?jǐn)?shù)，且對光強(qiáng)變化表現(xiàn)出極不敏感性，綜合性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)光吸收劑。中空通道結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)（圖3f-k）進(jìn)一步證實(shí)，姜黃素體系中所有通道均保持暢通無阻塞，而其他體系在通道變窄、高度增大時則出現(xiàn)嚴(yán)重堵塞。工藝窗口分析（圖3l,m）揭示，姜黃素可在寬曝光范圍內(nèi)穩(wěn)定維持高打印精度。

為探究該體系在尺寸與復(fù)雜結(jié)構(gòu)下的成形能力，采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）3D打印技術(shù)（nanoArch® S140，精度：10 μm）開展了實(shí)驗(yàn)。在正特征分辨率（線寬，圖4a,c）方面，純Al2O3漿料的打印線寬與設(shè)計(jì)值偏差高達(dá)5.7倍，而姜黃素體系打印線寬僅為26.1 μm（約2.6像素），偏差縮至1.6倍。負(fù)特征分辨率（圓孔陣列，圖4b,d）結(jié)果顯示，純陶瓷體系中50 μm的孔堵塞，姜黃素體系則有效保證了微小負(fù)型特征的成形。進(jìn)一步打印TPMS結(jié)構(gòu)（圖4e-m）進(jìn)行驗(yàn)證：純漿料出現(xiàn)孔道堵塞和薄壁缺失，而含姜黃素漿料打印的Al2O3和SiC結(jié)構(gòu)均高度復(fù)現(xiàn)了設(shè)計(jì)構(gòu)型。上述結(jié)果證實(shí)了姜黃素在實(shí)現(xiàn)幾何復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)高精度打印中的實(shí)用價值。

為研究添加姜黃素對關(guān)鍵性能的影響，首先采用TG-DSC對含與不含姜黃素的Al2O3生坯進(jìn)行對比分析（圖5a, b）。結(jié)果顯示，二者在室溫至600?℃范圍內(nèi)的失重階段高度一致，表明姜黃素并未改變樹脂的熱降解行為。經(jīng)脫脂燒結(jié)處理后（圖5c, d），兩組陶瓷的相對密度和彎曲模量均無顯著差異（圖5e）。低濃度姜黃素對脫脂、燒結(jié)及力學(xué)性能均無負(fù)面影響，其抑制光散射的優(yōu)勢可與熱加工過程良好兼容，證實(shí)了姜黃素作為功能性添加劑的可行性。

為驗(yàn)證姜黃素作為光散射抑制劑的普適性，研究將該策略拓展至ZrO2、SiO2和SiC等多種陶瓷體系（圖6a-d），成功打印出壁厚低于100 μm的復(fù)雜部件，展現(xiàn)出廣泛的材料兼容性和普適性。

總結(jié)：本研究提出以天然化合物姜黃素作為陶瓷漿料添加劑，利用其物理光吸收和化學(xué)自由基清除雙重功能，有效抑制了DLP陶瓷3D打印中光散射導(dǎo)致的非目標(biāo)區(qū)域過度固化，顯著提高了打印精度。該策略為光聚合陶瓷打印長期存在的光散射難題提供了一種簡便、低成本的通用解決方案，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)的高分辨率、高保真制造，在工業(yè)部件、生物醫(yī)學(xué)器械及精密結(jié)構(gòu)元件等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用優(yōu)勢。