悬空 85 毫米不塌陷：近红外光与上转换颗粒如何攻克陶瓷 3D 打印的免支撑难题

如果在半空中悬空挤一条陶瓷泥，底下什么都不垫，它能水平伸出去多远？ 按常理，只要往前伸出一厘米，重力就会把它拽得塌下来。 但在最新的实验里，打印喷头对着空气横着开，硬生生悬空画出了一条超过 85 毫米的水平梁。 底下干干净净，一根脚手架都没垫。 8.5 厘米的悬空跨度，笔直挺立，没有下垂，也没有变形。 就像拿着一支挤牙膏的管子，在空气里凭空搭了一座微型桥。 玩过 3D 打印的朋友都知道，悬空结构最怕重力。 塑料或者金属打印，只要遇到悬空、横梁或者大角度倾斜，就必须在底下密密麻麻打满支撑柱。 等整个零件打印完了，再拿钳子把这些支撑一点点掰掉、磨平。 塑料零件掰支撑已经够繁琐了，但如果换成陶瓷呢？ 陶瓷可不是塑料。 工业上用先进陶瓷，图的就是它耐极高温度、耐磨损、抗腐蚀，常用来做航空航天发动机的耐热构件、微型喷嘴或者电子基板。 一旦送进炉子经过一千多度的高温烧结，陶瓷硬得像石头一样，而且非常脆。 如果在精细的陶瓷结构底下打了支撑，烧结之后根本没办法拆。 拿工具用力敲，支撑还没断，脆弱的主体零件先震碎了。 要是零件内部设计了弯弯曲曲的微型冷却管道或者弹簧结构，工具根本伸不进去，打进去的支撑就成了死在内部的硬疙瘩。 扔不掉这套脚手架，复杂的工程陶瓷零件就很难真正走入实用。 那为什么不能像光固化树脂那样，喷头一边往外挤泥，旁边一边拿光照着，让它刚离开喷嘴就当场硬化？ 紫外光固化技术在塑料里很常见，液态树脂被紫外光一照，几秒钟就能固化成型。 但在陶瓷泥面前，这套办法当场就碰了壁。 因为陶瓷浆料不是透明的。 里面填满了高浓度的氧化铝或氧化锆颗粒，折射率极高。 紫外光照上去，就像车灯打在浓雾里，被颗粒疯狂散射和折射。 光线根本照不进深处，穿透深度通常只有几十微米，差不多只有头发丝那么厚。 如果喷头挤出的是一两毫米粗的泥条，紫外光一扫，只有最外层微米级的一层表皮硬化了。 表皮里面裹着的，依然是一包软趴趴的湿泥。 这样一根外硬内软的面条悬在半空，重力一扯，立刻就垮了下来。 2023 年，江南大学刘仁教授团队在《自然·通讯》上发表了一项很有意思的成果。 他们换了个思路，直接把光源改成了 980 纳米的近红外光。 近红外光的波长比紫外光长得多。 在浓稠的陶瓷浆料里，这种长波长的光受到的散射大大减弱，穿透力极其惊人。 它能一口气穿透几毫米厚的浑浊泥条，从外表一直打到轴心。 但新的麻烦马上就来了。 红外光穿得透，可它的单光子能量太低了。 光敏树脂的分子键需要高能量光子才能触发聚合交联，对红外光毫无反应。 光照红外线，除了让泥条稍微变温一点，根本固化不了。 团队真正精彩的绝活，是在陶瓷泥里混入了一种特别的微观引路人：上转换发光颗粒。 这是一种掺杂了稀土元素的微纳米晶体。 普通物质吸收高能量光，吐出低能量光。 这群上转换颗粒偏偏反其道而行之。 它们能在极短时间内连续吸收两三个低能量的近红外光子，在晶格内部完成能量累加，然后反向吐出一个高能量的紫外或可见光子。 整套机制一下子全盘活了。 喷头往外挤出陶瓷泥的瞬间，980 纳米的红外激光照上去。 由于红外光穿透力强，它毫不停留地扎进泥条内部，把散布在整个截面里的上转换颗粒全部激发。 这相当于在陶瓷泥条的内部和深处，同时点亮了无数个微型的紫外灯泡。 光固化不再是从外皮往内部苦苦渗透。 整根泥条从内到外，在同一瞬间同时硬化。 从泥浆挤出喷嘴到整体固化，只用了零点几秒。 刚出喷头的湿软泥浆，瞬间获得了极高的刚性和屈服强度。 打印喷头直接横向往虚空里推，材料也能牢牢支撑住自己的重量。 团队用这套方法，不仅打出了直径从 410 微米到 3.5 毫米的各尺度结构，还在没有任何支撑辅助的情况下，悬空打出了跨度超过 85 毫米的水平悬臂梁、悬空扭簧和复杂的立体弯曲件。 打印完成后，再把生坯放进炉子里烧结脱脂，粘结剂和发光颗粒受热分解排出，最终留下的是致密纯净的高性能陶瓷。 很多时候，解决一个折磨人的工程难题，未必需要造更庞大的机械臂。 把长波长的深层穿透力，和短波长的化学反应，借由一颗微小的上转换颗粒在泥条内部接通。 原本必须在底下死死顶着的笨重脚手架，就在两道光的接力里，自然而然地消失了。