在制造高性能复杂结构陶瓷部件时，传统光固化3D打印技术面临一个核心矛盾：为保证打印精度，前驱体树脂需具备低粘度与高反应活性，但这通常导致陶瓷产率低、热解收缩大，严重损害最终部件的尺寸精度与性能。这种“工艺性”与“功能性”难以兼得的困境，长期制约着该技术的发展与应用。而本工作提出的超支化聚硅氧烷基光敏树脂，为这一难题提供了新的解决方案。
在高端制造领域，制造具有复杂几何形状的高性能陶瓷部件一直是个巨大挑战。传统陶瓷加工难度大、成本高，而新兴的聚合物衍生陶瓷（PDC）技术，特别是与3D打印结合，为这一难题提供了新思路。然而，现有光固化陶瓷前驱体树脂常面临“难以兼顾”的窘境：为了获得适合打印的低粘度和高光反应活性，往往需要添加稀释剂，但这又会显著降低陶瓷产率并增加热解收缩，严重影响最终结构件的尺寸精度和性能。
图1碳调控超支化聚硅氧烷陶瓷前驱体树脂热解转化吸波陶瓷材料：设计-3D成型示意图
针对这一核心矛盾，南京大学袭锴教授课题组创新性地设计并合成了一种基于超支化聚硅氧烷的光敏陶瓷前驱体树脂（MA-HBPSi），成功实现了高性能、无稀释剂的DLP（数字光处理）3D打印，并通过对碳含量的精确调控与微结构设计，制备出具有超宽带微波吸收性能的陶瓷超材料。
核心创新：分子设计与结构调控双管齐下
（1）超支化分子架构: 研究团队通过可控水解-缩聚策略，合成了侧链带甲基丙烯酰氧基的超支化聚硅氧烷。其独特的支化结构赋予了树脂超低粘度（< 500 mPa·s） 和快速光固化特性（凝胶时间可短至1.5秒），完美契合DLP打印工艺对树脂流动性和成型效率的严苛要求。
（2）碳含量精准调控：通过在分子设计中引入苯环，团队实现了对热解后SiOC陶瓷中碳含量与形态的精确调控。苯环的引入促进了sp²杂化石墨碳的保留，而非全部形成Si-C键，从而有效调节了陶瓷的介电性能和阻抗匹配特性。
（3）精巧的宏观结构设计：利用DLP技术的高精度优势（特征尺寸可达10 µm），团队设计并打印了具有周期性排列的类金字塔阵列结构的陶瓷超材料。这种梯度阻抗结构能有效减少电磁波表面反射，并促进入射波在材料内部的多次反射与散射，极大延长了吸收路径。
图2（a） N2气下MA-HBPSi树脂的热重分析（TGA）曲线;（b）MA-HBPSi前驱体热解过程的程序化温度曲线;（c）PCP前驱体在热解前后抗弯强度比较;（d） PCP前驱体热解陶瓷部件照片。
最优配方的树脂（MA-HBPSi-4）在光固化后，经热后处理与1400°C氩气气氛下热解，实现了高达76.8 wt.%的陶瓷产率，同时线性收缩率低至21.5%，在同类材料中表现突出，有力保证了复杂结构在热解后的形状保真度。通过对材料（碳调控）与结构（超材料设计）的协同优化，最终制备的陶瓷超材料展现出令人瞩目的吸波性能。在6.5 mm厚度下，其有效吸收带宽（EAB, RL < -10 dB）高达9.82 GHz（8.18-18.00 GHz），基本覆盖了X波段（8-12 GHz）和Ku波段（12-18 GHz），同时最低反射损耗（RLmin）可达-41.12 dB。更值得一提的是，该材料在600°C和900°C高温下仍能保持优异的吸波性能，展现了SiOC陶瓷良好的高温稳定性与抗氧化性。
图3 设计和打印的Si-O-C陶瓷超材料的结构及X-Ku能带吸收性能：（a）热解DLP 3D打印陶瓷的周期阵列结构模型和照片;（b）反射损耗（RL）与频率和厚度的关系，对应于（c）高温下测量的RL值。（d）陶瓷结构材料中的多尺度损耗机制。
这项工作通过巧妙的超支化分子设计，一举解决了光固化PDC材料高陶瓷产率与良好加工性难以兼得的难题。所制备的前驱体树脂无需任何稀释剂，简化了工艺并提升了材料纯度。结合DLP 3D打印的结构自由度和对碳含量的精准调控，成功制备了具有定制化微结构、性能优异的吸波陶瓷超材料，为新一代航空航天热防护、减重隐身结构、高温吸波部件等的制备提供了全新的材料解决方案。
该研究成果以“Carbon-Regulated DLP 3D Printing of Hyperbranched Polysiloxane-Derived Ceramic Metamaterials for Broadband Microwave Absorption”为题，发表在期刊《Advanced Materials Technologies》上。论文第一作者为蒋晓霖博士，通讯作者为袭锴教授。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/admt.202600001
关键词：超支化，光固化，陶瓷超材料
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