ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СМОЛ ДЛЯ DLP 3D ПЕЧАТИ С ДОБАВКАМИ ПОРОШКОВ AL2O3 И ЦТС-19:

А. В. Юдин; Ю. И. Юрасов; П.С. Пляка; М.И. Толстунов; О.А. Беляк

А. В. Юдин Южный научный центр Российской академии наук
Ю. И. Юрасов Южный научный центр Российской академии наук
П.С. Пляка Южный научный центр Российской академии наук
М.И. Толстунов Южный научный центр Российской академии наук
О.А. Беляк Ростовский государственный университет путей сообщения; Южный научный центр Российской академии наук

Ключевые слова: Оксид алюминия Al2O3, ЦТС-19, 3D печать, аддитивные технологии, композитные материалы, диэлектрическая спектроскопия

Аннотация

Расширение спектра материалов, доступных для обработки аддитивными методами, пред-
ставляет большой интерес для промышленности. Технологии, такие как 3D печать полимерами,
значительно раздвигают границы возможностей при проектировании, позволяя совершить пере-
ход к устройствам нового поколения. В виду постепенного внедрения таких подходов на практике,
новый импульс развития получило направление метаматериалов – объемных структур, геометрия
которых позволяет более полно использовать свойства базового материала. В частности, кера-
мики, распространенные в современной электронной технике, могут быть введены в формуемый
аддитивным способом полимер в качестве функциональной добавки. Последующая термическая
обработка таких составов позволяет получить макроструктурированный керамо-полимерный
или чисто керамический каркас с уникальными пьезо- или диэлектрическими свойствами. Однако,
частицы добавки могут значительно изменять технологические свойства базового материала,
что необходимо учитывать. При этом вычленение эмпирических признаков, характеризующих
эту динамику, является нетривиальной задачей. Так, в публикациях по УФ-отверждаемым компо-
зитам в качестве ведущего признака признается критерий вязкости состава. В то же время оп-
тическая проницаемость, определяющая потребную мощность оборудования, не рассматривает-
ся должным образом. В этой связи в представленной работе проведено исследование вязкостных,
диэлектрических, оптических и температурных свойств композитов на основе
УФ-отверждаемой смолы для DLP 3D печати, содержащих добавки 5 об. % порошков Al2O3 и
ЦТС-19. Представлен метод качественного экспресс-анализа технологической пригодности со-
става, основанный на скотч-тесте. Показано, что вязкость состава менее значима в сравнении с
его оптической проницаемостью в УФ-диапазоне. Рассмотренные составы обладают темпера-
турной стабильностью вплоть до 300 ⁰С. Введение порошковых добавок позволяет в 2,5 раза уве-
личить показатель диэлектрической проницаемости ε'/ε0 и снизить диэлектрические потери в
материале при его нагреве выше 110 ⁰C. Показано, что композиты, содержащие оксид алюминия
обладают потенциалом для применения в электронике.

Литература

1. Byron Blakey-Milner et al. Metal additive manufacturing in aerospace: A review, Materials & Design,
2021, 209, 110008.
2. Young-Geun Park et al. High-Resolution 3D Printing for Electronics, Advanced Science, 2022, 9,
2104623.
3. Marcin Ziółkowski and Tomasz Dyl. Possible Applications of Additive Manufacturing Technologies in
Shipbuilding: A Review, Machines, 2020, 8, 84.
4. Cheng Sun et al. Additive Manufacturing for Energy: A Review, Applied Energy, 2021, 282 A,
116041.
5. Henry A. Colorado et al. Additive manufacturing in armor and military applications: research, materials,
processing technologies, perspectives, and challenges, Journal of Materials Research and Technology,
2023, 27, pp. 3900-3913.
6. Iftekar S.F. et al. Advancements and Limitations in 3D Printing Materials and Technologies: A Critical
Review, Polymers, 2023, 15, 2519.
7. Chuhong Zhang et al. Current advances and future perspectives of additive manufacturing for functional
polymeric materials and devices, SusMat, 2021, 1, pp. 127-147.
8. Amit M.E. Arefin et al. Polymer 3D Printing Review: Materials, Process, and Design Strategies for
Medical Applications, Polymers, 2021, 13, 1499.
9. Erin M. Maines et al. Sustainable Advances in SLA/DLP 3D Printing Materials and Processes, Green
Chemistry, 2021, 18.
10. Xu X. et al. Vat photopolymerization 3D printing for advanced drug delivery and medical device applications,
Journal of Controlled Release, 2020.
11. Thomas Lacelle et al. Additive manufacturing of polymer derived ceramics: Materials, methods, and
applications, APL Materials, 2023, 11, 070602.
12. Aamer Nazir et al. Multi-material additive manufacturing: A systematic review of design, properties,
applications, challenges, and 3D printing of materials and cellular metamaterials, Materials & Design,
2023, 226, 111661.
13. Ren Z., Mujib S.B., Singh G. High-Temperature Properties and Applications of Si-Based Polymer-
Derived Ceramics: A Review, Materials, 2021, 14, 614.
14. Suresh Kumar N. et al. A Review on Metamaterials for Device Applications, Crystals, 2021, 11, 518.
15. Mamatha S., Biswas P., Johnson R. Digital light processing of ceramics: an overview on process, materials
and challenges, Progress in Additive Manufacturing, 2023, 8, pp. 1083-1102.
16. Truxova V. et al. Ceramic 3d printing: Comparison of SLA and DLP technologies, MM Science Journal,
2020, 2, pp. 3905-3911.
17. Peng Cai et al. Effects of slurry mixing methods and solid loading on 3D printed silica glass parts
based on DLP stereolithography, Ceramics International, 2020, 46. 10. B, pp. 16833-16841.
18. Komissarenko D. et al. DLP 3D printing of scandia-stabilized zirconia ceramics, Journal of the European
Ceramic Society, 2021, 41. 1, pp. 684-690.
19. Xiaohong Xu et al. Study of alumina ceramic parts fabricated via DLP stereolithography using powders
with different sizes and morphologies, Applied Ceramic Technology, 2022, 20. 2.
20. Rytis Mitkus et al. Investigation and attempt to 3D print piezoelectric 0-3 composites made of photopolymer
resins and PZT, Proceedings of the ASME 2020 Conference on Smart Materials, Adaptive
Structures and Intelligent Systems. 2020. September 14-16. Irvine. CA. USA.
21. Sotov A. et al. LCD-SLA 3D printing of BaTiO3 piezoelectric ceramics, Ceramics International,
2021, 47, pp. 30358-30366.
22. Yushun Zeng et al. 3D-Printing Piezoelectric Composite with Honeycomb Structure for Ultrasonic
Devices, Micromachines, 2020, 11, 713.
23. Qiaolei Li et al. Balancing flexural strength and porosity in DLP-3D printing Al2O3 cores for hollow
turbine blades, Journal of Materials Science & Technology, 2022, 104, pp. 19-32.
24. Melentiev R. et al. Metallization of polymers and composites: State-of-the-art approaches, Materials &
Design, 2022, 221, 110958.
25. Rodrigues S. et al. Improvement of the fatigue and the ferroelectric properties of PZT films through a
LSCO seed layer, Materials Science and Engineering, 2013, B. 178, pp. 1224-1229.
26. Hameed M. et al. Preparation and Characterization of Al2O3 Nanostructures by Pulsed-Laser Deposition,
Journal of Optoelectronics and Photonics, 2015, 6. 8, pp. 43-46.
27. Rouholah Ashiri et al. Development and investigation of novel nanoparticle embedded solutions with
enhanced optical transparency, Journal of Materials Research, 2014, 29 (24), pp. 2949-2956.
28. Yurasov Yu.I. Patent RF na poleznuyu model' № 66552. Avtomaticheskiy izmeritel'nyy stend
elektrofizicheskikh parametrov segneto-p'ezomaterialov v shirokom intervale temperatur i chastot
[Russian Federation Patent for Utility Model No. 66552. Automatic Measuring Stand for
Electrophysical Parameters of Ferroelectric-Piezoelectric Materials in a Wide Range of Temperatures
and Frequencies]. Application No. 2007102548, priority from 23.01.2007. Reg. 10.09.2007. Published
10.09.2007. Bulletin of Inventions. Utility Models No. 25, 2007.
29. Yurasov Yu.I. Svidetel'stvo ob ofitsial'noy registratsii programmy dlya EVM. №2006611142. Raschet
dielektricheskoy pronitsaemosti i tangensa ugla dielektricheskikh poter' v shirokom intervale
temperatur i chastot (Laboratornyy stend YuKOMP 2.0) [Certificate of official registration of the
computer program. No. 2006611142. Calculation of permittivity and tangent of dielectric loss angle in
a wide range of temperatures and frequencies (Laboratory stand YuKOMP 2.0)]. Registered in the
Register of computer programs on March 29, 2006.
30. Reznichenko L.A., Andryushin K.P., Andryushina I.N., Verbenko I.A., Kubrin S.P., Pavelko A.A.,
Pavlenko A.V., Yurasov Yu.I. Attestat № 184 ot 03.05. 2011. Metodika № GSSSD ME 184-2011 FGUP
«Standartinform» GNMTS «SSD». Metodika eksperimental'nogo opredeleniya kompleksnoy
dielektricheskoy pronitsaemosti, tangensa ugla dielektricheskikh poter', temperatury Kyuri
dielektricheskikh materialov v shirokom diapazone temperatur (10÷1000) K, chastot (10-3÷1٠106) Gts
elektricheskogo izmeritel'nogo polya [Certificate No. 184 dated 03.05. 2011. Methodology No. GSSSD
ME 184-2011 FSUE "Standartinform" GNMC "SSD". Methodology for experimental determination of
complex permittivity, dielectric loss tangent, Curie temperature of dielectric materials in a wide range of
temperatures (10÷1000) K, frequencies (10-3÷1٠106) Hz of the electric measuring field].
31. Yurasov Y.I. and Nazarenko A.V. Parameter of dielectric loss distribution in the new model for complex
conductivity based on Havriliak–Negami formula, J. of Advanced Dielectrics, 2020, 10 (1,2),
2060006.