功能梯度材料（FGM）的成分/结构在空间上梯度变化以实现其机械、热膨胀、介电性能或其他性能的梯度变化。由于其可调控的多功能特性及对特定应用需求的高度适应性，功能梯度材料的设计、构建和应用一直是材料科学和材料加工领域的研究热点，其在微电子、航空航天、软体机器人及生物医学工程等领域具有重要应用价值。然而功能梯度材料在空间上的各向异性不可避免地与传统制造技术 (如铸造、切削及注塑等) 不兼容，功能梯度材料的三维精准构建一直是材料加工领域的重大挑战之一。
虽然目前使用喷涂、电沉积和粉末冶金等制造技术能加工一维/二维梯度材料，但是无法制造三维、复杂的梯度材料。针对这一难题，比利时鲁汶大学费广海、Rob Ameloot团队基于立体光刻3D打印工艺，开发了一系列用于制造功能梯度材料的新型灰度3D打印技术。（1）半色调灰度光固化技术的开发及力学梯度材料的构建在外部条件刺激下 (压力、温度和光照等) ，力学梯度材料可产生各向异性变形，这种梯度响应特性为软体机器人技术带来了新的契机。通过使用灰度掩模，基于数字微振镜 (DMD) 的立体光刻3D打印技术在空间上定义材料的光聚合程度，可以实现力学梯度材料的构建。然而，DMD灰度光固化依靠256级灰度掩模 (8-bit) 来调控曝光能量的梯度分布，与大多数投影式光固化设备（如LCD设备）并不兼容。为解决这一局限，基于数字半色调图像处理技术，费广海、Rob Ameloot团队开发了一种能在任何投影式光固化设备（DMD或LCD设备）上实现梯度打印的新型灰度打印技术，突破了长期以来灰度光固化只能依靠DMD打印机来实现的限制。相关成果以Digital Halftoning for Printer-Independent Stereolithography of Functionally Graded Materials为题发表于Cell Reports Physical Science（Cell Press、封面文章）。
图1 半色调灰度光固化技术原文链接：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2023.101525（2）数字光固化和选择性溶解工艺的开发及“孔隙率和填料含量”双重梯度的实现微观结构复杂且具有微米孔径 (<50 μm) 和梯度孔隙率的多孔材料在医学植入体和微流控等领域有巨大潜力。然而，传统的材料加工技术不适合制造这种三维、复杂的梯度多孔材料。结合光固化技术和化学溶解策略，费广海、Rob Ameloot团队开发了一种数字灰度光固化和选择性溶解工艺来实现梯度多孔材料的制备。在数字灰度曝光策略的作用下，光敏树脂发生梯度交联反应，形成具有梯度交联密度的高分子网络。打印样品浸入清洗溶剂后，通过调整溶剂浓度和浸泡程序来控制高分子的交联网络溶胀程度，从而使溶剂有选择性地渗透到交联密度较低的区域 (溶胀速度较快) ，溶解填料并形成梯度多孔材料。相关成果以Stereolithographic 3D Printing of Graded Porous Materials via an Integrated Digital Exposure and Selective Dissolution Strategy为题，发表于Cell Reports Physical Science。
图2 数字光固化和选择性溶解技术原文链接：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2023.101504（3）各类灰度立体光刻技术的总结及应用灰度立体光刻技术通过精确控制3D打印过程的曝光能量和高分子的聚合度来制备功能梯度材料。这项综合性工作深入研究了各种灰度光固化3D打印技术及其工作机理（光能控制原理及高分子聚合机制），分析了各类技术的优缺点及其应用场景，提供了改进灰度光固化3D打印的方法。相关成果以From Grayscale Photopolymerization 3D Printing to Functionally Graded Materials为题发表于Advanced Functional Materials（封面文章）。
图3 各类灰度立体光刻技术的对比原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202314635除了灰度立体光刻技术的开发，费广海团队还开发了电场辅助光固化技术和可逐层调控打印参数的多材料光固化技术，实现了半导体器件的原位梯度封装，扩展了光固化技术在微电子领域的应用。相关成果分别以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)为题发表在材料加工领域权威期刊Virtual and Physical Prototyping和Materials & Design 。原文链接：https://doi.org/10.1080/17452759.2023.2271447
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.112220来源：高分子科学前沿
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