《Journal of Non-Crystalline Solids》：Fabrication of precision silica glass artificial compound eyes using photocurable liquid glass composites and mold pre-compensation
编辑推荐：
人工复眼的高效制备及其光固化动力学模型研究。通过液态玻璃复合材料结合光固化成型技术，实现了1300℃下1分钟完成烧结，较传统工艺缩短68.91%时间。系统建立了考虑固含量时光固化动力学模型，揭示了固含量与线性收缩的定量关系（40%-55 wt%），并通过模具预补偿策略将尺寸误差控制在3%以内。所制人工复眼具有完整无缺陷的微观结构和高性能光学成像能力。
王桂林|孔德建|胡友旺|王彦东|李源|明平梅|孙晓燕
中南大学极端服役性能精密制造国家重点实验室，中国长沙，410083
摘要
二氧化硅玻璃固有的脆性和高热阻性对人工复合眼（ACEs）的快速精确制造带来了重大挑战。本研究介绍了一种基于液态玻璃复合体的光固化成型技术，该技术能够高效制造二氧化硅玻璃ACEs。系统研究了液态玻璃复合体的固化行为、热处理过程、模具预补偿策略以及所得ACEs的光学性能。结果表明，建立的固化动力学模型能够准确预测固化时间和深度，为二氧化硅玻璃ACEs的成型提供了理论指导。二氧化硅玻璃ACEs在1300°C下仅需1分钟即可完成烧结，与传统工艺相比，整体烧结时间缩短了68.91%。液态玻璃复合体的最佳固含量范围为40 wt%至55 wt%。已经建立了固含量与线性收缩率之间的定量关系。模具预补偿策略在热处理前主动补偿了尺寸收缩，使得二氧化硅玻璃ACEs的尺寸误差控制在3%以内。制造的二氧化硅玻璃ACEs具有完整无缺陷的形态，并表现出优异的光学成像性能。本研究为高性能二氧化硅玻璃微光学组件的快速制造提供了理论基础和新型方法。
引言
复合眼是昆虫特有的光学成像系统[1,2]，存在于蛾子、蚊子和蜻蜓等昆虫中[3,4]。复合眼由数千个紧密排列的视小眼组成，具有体积小、像差低、视野宽、景深大和检测灵敏度高等优点[5,6]。这种结构增强了动物的环境感知能力，在复杂的生存环境中具有显著的优势，有助于躲避捕食者、捕获猎物和进行空间导航[7,8]。受昆虫复合眼的启发，ACEs具有微型化和广阔视野等优点[9]，使其成为理想的光学成像系统[10,11]。因此，ACEs已广泛应用于生物医学技术、视觉导航、机器人技术、国防装备、航空航天等领域[12,14]。
ACEs的制造一直是主要的研究焦点。目前，聚合物材料——特别是光刻胶、树脂、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）——因其低粘度、高成型精度和优异的工艺兼容性而被广泛用于制造ACEs。例如，赵等人[15]、邓等人[16]和景等人[17]通过使用双光子3D打印系统精确控制光刻胶的光聚合过程成功制造了ACEs。戴等人[18]通过结合微立体光刻3D打印和微流控成型的方法开发了一种基于树脂的仿生复合眼。然而，由树脂或光刻胶制造的ACEs容易变形且热阻性较差[19]。此外，郭等人[20]通过机械加工制作模具，然后利用热压将PMMA压入模具中制造了ACEs。同样，PMMA ACEs也存在变形、热阻性差和透光率低的问题。刘等人[21]采用立体光刻3D打印和浇铸工艺结合的方法制造了ACEs。李等人[22,23]利用喷墨打印的微透镜阵列和空气辅助变形技术制造了PDMS ACEs。周等人[24]通过将喷墨打印的PDMS微透镜阵列薄膜粘贴到微流控芯片上开发了液压驱动的可变焦ACEs。李等人[25]使用计算机数控加工的模具填充PDMS作为成型材料制造了ACEs。尽管PDMS加工具有优势，但制造的ACEs仍存在易变形、机械稳定性差和耐腐蚀性弱的问题。总之，这些聚合物ACEs通常无法满足高端光学系统对极端环境耐久性和长期可靠性的要求，从而限制了其实际应用。
与聚合物材料相比，二氧化硅玻璃具有优异的物理化学性能，包括高透光率[26]、低热膨胀系数[27]、热稳定性[28]、化学惰性和出色的损伤阈值[29]。因此，二氧化硅玻璃ACEs在高温激光辐射、高温高压以及低光照或夜间条件下表现出优异的适应性。然而，二氧化硅玻璃的高熔点和固有的脆性给ACEs的制造带来了重大挑战。现有的制造技术难以在保持复杂曲面高效成型的同时实现微米级的尺寸精度。例如，双光子聚合[30]、立体光刻[31]、数字光处理[32]和直接墨水书写[33]等3D打印技术可以制造出任意几何形状的二氧化硅组件，但这些方法的生产效率低、表面质量不佳且尺寸精度不足。蚀刻辅助的飞秒激光修饰[19,26]通常需要多个化学处理步骤，并受到材料各向异性蚀刻特性的限制，难以直接制造凸曲面微结构。注塑成型[34]在加工过程中容易产生残余应力，导致结构变形。此外，该方法存在模具精度低、工艺参数不稳定和微特征复制精度差等局限性，不适合制造复杂曲面微结构。总体而言，当前的制造方法（3D打印、蚀刻辅助的飞秒激光修饰和注塑成型）难以同时满足结构复杂性、尺寸精度和制造效率的要求，从而限制了二氧化硅玻璃ACEs的发展[35]。为了解决这些挑战，本研究介绍了一种基于液态玻璃复合体的光固化成型技术。该方法将纳米级二氧化硅粉末与树脂混合形成液态玻璃复合体，通过精密模具进行图案转移后，通过热处理分解有机物质并使二氧化硅粉末致密化，最终获得高精度的二氧化硅玻璃ACEs。
本研究建立了考虑固含量的光固化动力学理论模型，以指导ACEs的制造。同时，基于热重分析制定了脱粘工艺。在此基础上，优化了二氧化硅玻璃ACEs的烧结工艺，使烧结时间缩短了68.91%。系统研究了固含量对二氧化硅玻璃微观结构、线性收缩率和物理性能的影响。随后，通过模具预补偿策略主动控制了二氧化硅玻璃ACEs在制造过程中的尺寸收缩。最终，制造的二氧化硅玻璃复合眼在结构和尺寸上与设计目标高度一致，并表现出出色的光学成像性能。本研究为高性能二氧化硅玻璃微光学组件的快速制造建立了坚实的理论基础，并提出了一种新的工艺路径。
实验材料
本研究使用50纳米亲水性二氧化硅粉末（Evonik，德国）作为二氧化硅玻璃的前驱体。树脂系统包括以下成分：羟乙基甲基丙烯酸甲酯（HEMA，单体）、四乙二醇二丙烯酸酯（TEGDA，单体）、二乙基邻苯二甲酸酯（DEP，增塑剂）和二苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰)磷氧化物（TPO，光引发剂）。所有有机试剂（HEMA、TEGDA、DEP和TPO）均购自Aladdin（中国）。化学试剂的规格如下
光固化动力学理论模型
在郭等人[36]开发的固化深度模型的基础上——该模型结合了比尔-朗伯定律和光固化动力学——本研究系统优化了理论框架，以满足液态玻璃复合体的加工要求。尽管杨等人[37]将这一理论模型应用于二氧化硅玻璃3D打印，但他们仅进行了初步验证，未研究二氧化硅粉末对光固化动力学参数的影响
烧结温度
脱粘是通过光固化技术制造二氧化玻璃的关键步骤。从坯体中去除有机物质直接影响最终产品的性能。通过热重分析研究了脱粘过程中的热分解行为，结果如图6(a)所示。热重曲线显示脱粘过程中有三个质量损失阶段：第一阶段（30-175°C）、第二阶段（176-234°C）和第三阶段（235-500°C）。图6(b)展示了
结论
建立了液态玻璃复合体固化动力学的理论模型。优化了二氧化玻璃的烧结工艺。系统研究了固含量对微观结构、线性收缩率和物理性能的影响。此外，通过线性拟合获得了描述固含量与线性收缩率之间关系的数学函数。为了解决热处理过程中的收缩问题，提出了模具尺寸预补偿策略
CRediT作者贡献声明
王桂林：方法论、初稿撰写、审稿与编辑。孔德建：方法论。胡友旺：概念构思、资金获取、验证。王彦东：资源提供、软件支持。李源：验证。明平梅：方法论。孙晓燕：实验研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2024YFB4607500）和中国国家自然科学基金（51935013）的支持。
