《Journal of Non-Crystalline Solids》：Fabrication of precision silica glass artificial compound eyes using photocurable liquid glass composites and mold pre-compensation
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人工復眼的高效制備及其光固化動力學模型研究。通過液態玻璃復合材料結合光固化成型技術，實現了1300℃下1分鐘完成燒結，較傳統工藝縮短68.91%時間。系統建立了考慮固含量時光固化動力學模型，揭示了固含量與線性收縮的定量關系（40%-55 wt%），并通過模具預補償策略將尺寸誤差控制在3%以內。所制人工復眼具有完整無缺陷的微觀結構和高性能光學成像能力。
王桂林|孔德建|胡友旺|王彥東|李源|明平梅|孫曉燕
中南大學極端服役性能精密制造國家重點實驗室，中國長沙，410083
摘要
二氧化硅玻璃固有的脆性和高熱阻性對人工復合眼（ACEs）的快速精確制造帶來了重大挑戰。本研究介紹了一種基于液態玻璃復合體的光固化成型技術，該技術能夠高效制造二氧化硅玻璃ACEs。系統研究了液態玻璃復合體的固化行為、熱處理過程、模具預補償策略以及所得ACEs的光學性能。結果表明，建立的固化動力學模型能夠準確預測固化時間和深度，為二氧化硅玻璃ACEs的成型提供了理論指導。二氧化硅玻璃ACEs在1300°C下僅需1分鐘即可完成燒結，與傳統工藝相比，整體燒結時間縮短了68.91%。液態玻璃復合體的最佳固含量范圍為40 wt%至55 wt%。已經建立了固含量與線性收縮率之間的定量關系。模具預補償策略在熱處理前主動補償了尺寸收縮，使得二氧化硅玻璃ACEs的尺寸誤差控制在3%以內。制造的二氧化硅玻璃ACEs具有完整無缺陷的形態，并表現出優異的光學成像性能。本研究為高性能二氧化硅玻璃微光學組件的快速制造提供了理論基礎和新型方法。
引言
復合眼是昆蟲特有的光學成像系統[1,2]，存在于蛾子、蚊子和蜻蜓等昆蟲中[3,4]。復合眼由數千個緊密排列的視小眼組成，具有體積小、像差低、視野寬、景深大和檢測靈敏度高等優點[5,6]。這種結構增強了動物的環境感知能力，在復雜的生存環境中具有顯著的優勢，有助于躲避捕食者、捕獲獵物和進行空間導航[7,8]。受昆蟲復合眼的啟發，ACEs具有微型化和廣闊視野等優點[9]，使其成為理想的光學成像系統[10,11]。因此，ACEs已廣泛應用于生物醫學技術、視覺導航、機器人技術、國防裝備、航空航天等領域[12,14]。
ACEs的制造一直是主要的研究焦點。目前，聚合物材料——特別是光刻膠、樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）——因其低粘度、高成型精度和優異的工藝兼容性而被廣泛用于制造ACEs。例如，趙等人[15]、鄧等人[16]和景等人[17]通過使用雙光子3D打印系統精確控制光刻膠的光聚合過程成功制造了ACEs。戴等人[18]通過結合微立體光刻3D打印和微流控成型的方法開發了一種基于樹脂的仿生復合眼。然而，由樹脂或光刻膠制造的ACEs容易變形且熱阻性較差[19]。此外，郭等人[20]通過機械加工制作模具，然后利用熱壓將PMMA壓入模具中制造了ACEs。同樣，PMMA ACEs也存在變形、熱阻性差和透光率低的問題。劉等人[21]采用立體光刻3D打印和澆鑄工藝結合的方法制造了ACEs。李等人[22,23]利用噴墨打印的微透鏡陣列和空氣輔助變形技術制造了PDMS ACEs。周等人[24]通過將噴墨打印的PDMS微透鏡陣列薄膜粘貼到微流控芯片上開發了液壓驅動的可變焦ACEs。李等人[25]使用計算機數控加工的模具填充PDMS作為成型材料制造了ACEs。盡管PDMS加工具有優勢，但制造的ACEs仍存在易變形、機械穩定性差和耐腐蝕性弱的問題。總之，這些聚合物ACEs通常無法滿足高端光學系統對極端環境耐久性和長期可靠性的要求，從而限制了其實際應用。
與聚合物材料相比，二氧化硅玻璃具有優異的物理化學性能，包括高透光率[26]、低熱膨脹系數[27]、熱穩定性[28]、化學惰性和出色的損傷閾值[29]。因此，二氧化硅玻璃ACEs在高溫激光輻射、高溫高壓以及低光照或夜間條件下表現出優異的適應性。然而，二氧化硅玻璃的高熔點和固有的脆性給ACEs的制造帶來了重大挑戰。現有的制造技術難以在保持復雜曲面高效成型的同時實現微米級的尺寸精度。例如，雙光子聚合[30]、立體光刻[31]、數字光處理[32]和直接墨水書寫[33]等3D打印技術可以制造出任意幾何形狀的二氧化硅組件，但這些方法的生產效率低、表面質量不佳且尺寸精度不足。蝕刻輔助的飛秒激光修飾[19,26]通常需要多個化學處理步驟，并受到材料各向異性蝕刻特性的限制，難以直接制造凸曲面微結構。注塑成型[34]在加工過程中容易產生殘余應力，導致結構變形。此外，該方法存在模具精度低、工藝參數不穩定和微特征復制精度差等局限性，不適合制造復雜曲面微結構。總體而言，當前的制造方法（3D打印、蝕刻輔助的飛秒激光修飾和注塑成型）難以同時滿足結構復雜性、尺寸精度和制造效率的要求，從而限制了二氧化硅玻璃ACEs的發展[35]。為了解決這些挑戰，本研究介紹了一種基于液態玻璃復合體的光固化成型技術。該方法將納米級二氧化硅粉末與樹脂混合形成液態玻璃復合體，通過精密模具進行圖案轉移后，通過熱處理分解有機物質并使二氧化硅粉末致密化，最終獲得高精度的二氧化硅玻璃ACEs。
本研究建立了考慮固含量的光固化動力學理論模型，以指導ACEs的制造。同時，基于熱重分析制定了脫粘工藝。在此基礎上，優化了二氧化硅玻璃ACEs的燒結工藝，使燒結時間縮短了68.91%。系統研究了固含量對二氧化硅玻璃微觀結構、線性收縮率和物理性能的影響。隨后，通過模具預補償策略主動控制了二氧化硅玻璃ACEs在制造過程中的尺寸收縮。最終，制造的二氧化硅玻璃復合眼在結構和尺寸上與設計目標高度一致，并表現出出色的光學成像性能。本研究為高性能二氧化硅玻璃微光學組件的快速制造建立了堅實的理論基礎，并提出了一種新的工藝路徑。
實驗材料
本研究使用50納米親水性二氧化硅粉末（Evonik，德國）作為二氧化硅玻璃的前驅體。樹脂系統包括以下成分：羥乙基甲基丙烯酸甲酯（HEMA，單體）、四乙二醇二丙烯酸酯（TEGDA，單體）、二乙基鄰苯二甲酸酯（DEP，增塑劑）和二苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰)磷氧化物（TPO，光引發劑）。所有有機試劑（HEMA、TEGDA、DEP和TPO）均購自Aladdin（中國）。化學試劑的規格如下
光固化動力學理論模型
在郭等人[36]開發的固化深度模型的基礎上——該模型結合了比爾-朗伯定律和光固化動力學——本研究系統優化了理論框架，以滿足液態玻璃復合體的加工要求。盡管楊等人[37]將這一理論模型應用于二氧化硅玻璃3D打印，但他們僅進行了初步驗證，未研究二氧化硅粉末對光固化動力學參數的影響
燒結溫度
脫粘是通過光固化技術制造二氧化玻璃的關鍵步驟。從坯體中去除有機物質直接影響最終產品的性能。通過熱重分析研究了脫粘過程中的熱分解行為，結果如圖6(a)所示。熱重曲線顯示脫粘過程中有三個質量損失階段：第一階段（30-175°C）、第二階段（176-234°C）和第三階段（235-500°C）。圖6(b)展示了
結論
建立了液態玻璃復合體固化動力學的理論模型。優化了二氧化玻璃的燒結工藝。系統研究了固含量對微觀結構、線性收縮率和物理性能的影響。此外，通過線性擬合獲得了描述固含量與線性收縮率之間關系的數學函數。為了解決熱處理過程中的收縮問題，提出了模具尺寸預補償策略
CRediT作者貢獻聲明
王桂林：方法論、初稿撰寫、審稿與編輯。孔德建：方法論。胡友旺：概念構思、資金獲取、驗證。王彥東：資源提供、軟件支持。李源：驗證。明平梅：方法論。孫曉燕：實驗研究。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文工作的財務利益或個人關系。
致謝
本研究得到了國家重點研發計劃（2024YFB4607500）和中國國家自然科學基金（51935013）的支持。
