近日，南方科技大學(xué)的葛锜/王榮團(tuán)隊(duì)在國際期刊《International Journal of Extreme Manufacturing》上發(fā)表了最新研究，論文題為“Digital light processing 3D printing of ceramics for W-band gradient refractive index metalens"。本研究提出了一種基于多材料4D打印技術(shù)制備陶瓷梯度折射率超構(gòu)透鏡的方法，通過優(yōu)化陶瓷漿料配方并引入尺寸補(bǔ)償策略，顯著提升了打印精度。研究人員結(jié)合幾何光學(xué)與S參數(shù)反演法，設(shè)計(jì)了包含Y形和圓孔兩種亞波長單元結(jié)構(gòu)的超構(gòu)透鏡，最小特征尺寸為160 μm。最終制備出的陶瓷超構(gòu)透鏡在W波段表現(xiàn)出優(yōu)異的輻射性能：最大增益提升達(dá)18.4 dBi，波束偏轉(zhuǎn)角度為±30°，相對帶寬達(dá)37.84%，展現(xiàn)出在高頻通信中的潛在應(yīng)用價(jià)值。

圖1. 陶瓷GRIN超構(gòu)透鏡的制備流程示意圖。

圖2. 漿料的流變與光固化性能。

本次研究系統(tǒng)評估了打印過程中的過度固化效應(yīng)。圖3(a)和(b)顯示，隨著曝光能量增加，水平方向的線寬偏差增大，而添加光吸收劑可顯著減小此偏差。圖3(c)和(d)則表明，光吸收劑同樣能有效控制垂直方向的固化深度，避免過度穿透。

圖3. 陶瓷漿料的固化與過度固化效應(yīng)評估。

為校正打印過程中因過度固化引起的尺寸偏差，研究團(tuán)隊(duì)提出了針對圓孔（如圖4所示）和薄壁結(jié)構(gòu)（如圖5所示）的尺寸補(bǔ)償方法。通過預(yù)先調(diào)整設(shè)計(jì)尺寸，使得打印后的實(shí)際尺寸更接近目標(biāo)值，最終將尺寸偏差控制在30 μm以內(nèi)。

圖4. 圓形孔的尺寸補(bǔ)償設(shè)計(jì)與實(shí)測結(jié)果。

圖5. 薄壁結(jié)構(gòu)的尺寸補(bǔ)償設(shè)計(jì)與實(shí)測結(jié)果。

如圖6示，打印后的生坯經(jīng)過在氬氣氣氛中分段升溫脫脂，以及在空氣中1600°C燒結(jié)，最終獲得致密的Al?O?陶瓷件。XRD分析顯示燒結(jié)前后均為α-Al?O?相，相對密度達(dá)95.5%，有利于降低介電損耗。

圖6. 熱重分析與燒結(jié)工藝曲線。

基于離散化折射率分布，設(shè)計(jì)了由20個(gè)同心環(huán)組成的平面超構(gòu)透鏡（如圖7所示）。經(jīng)過微觀結(jié)構(gòu)表征，該平面超構(gòu)透鏡從打印的生坯（圖8a）、脫脂后（圖8b）到燒結(jié)后的最終白色陶瓷件（圖8c）。SEM圖像清晰顯示了燒結(jié)后復(fù)現(xiàn)良好的圓孔（圖8g）和Y形（圖8h）單元結(jié)構(gòu)。圖8(i)的尺寸對比表明，經(jīng)補(bǔ)償后所有單元的實(shí)際尺寸與設(shè)計(jì)值偏差均在30 μm以內(nèi)。

圖7. 超構(gòu)透鏡設(shè)計(jì)原理。

圖8. 超構(gòu)透鏡的制備過程與微觀結(jié)構(gòu)表征。

如圖9的仿真結(jié)果表明，該透鏡在W波段能顯著提升天線增益并收窄波束。微波暗室實(shí)測結(jié)果（如圖10所示）驗(yàn)證了其優(yōu)異的性能，包括高達(dá)18.4 dBi的增益提升、±30°的波束偏轉(zhuǎn)能力以及低于6°的半功率波束寬度。

圖9. 超構(gòu)透鏡的仿真輻射場分布。

圖10. 輻射性能測試結(jié)果與文獻(xiàn)對比。