近日，南方科技大學的葛锜/王榮團隊在國際期刊《International Journal of Extreme Manufacturing》上發表了最新研究，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打印技術制備陶瓷梯度折射率超構透鏡的方法，通過優化陶瓷漿料配方并引入尺寸補償策略，顯著提升了打印精度。研究人員結合幾何光學與S參數反演法，設計了包含Y形和圓孔兩種亞波長單元結構的超構透鏡，最小特征尺寸為160 μm。最終制備出的陶瓷超構透鏡在W波段表現出優異的輻射性能：最大增益提升達18.4 dBi，波束偏轉角度為±30°，相對帶寬達37.84%，展現出在高頻通信中的潛在應用價值。

圖1. 陶瓷GRIN超構透鏡的制備流程示意圖。

圖2. 漿料的流變與光固化性能。

本次研究系統評估了打印過程中的過度固化效應。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，研究團隊提出了針對圓孔（如圖4所示）和薄壁結構（如圖5所示）的尺寸補償方法。通過預先調整設計尺寸，使得打印后的實際尺寸更接近目標值，最終將尺寸偏差控制在30 μm以內。

圖4. 圓形孔的尺寸補償設計與實測結果。

圖5. 薄壁結構的尺寸補償設計與實測結果。

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

圖6. 熱重分析與燒結工藝曲線。

基于離散化折射率分布，設計了由20個同心環組成的平面超構透鏡（如圖7所示）。經過微觀結構表征，該平面超構透鏡從打印的生坯（圖8a）、脫脂后（圖8b）到燒結后的最終白色陶瓷件（圖8c）。SEM圖像清晰顯示了燒結后復現良好的圓孔（圖8g）和Y形（圖8h）單元結構。圖8(i)的尺寸對比表明，經補償后所有單元的實際尺寸與設計值偏差均在30 μm以內。

圖7. 超構透鏡設計原理。

圖8. 超構透鏡的制備過程與微觀結構表征。

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

圖9. 超構透鏡的仿真輻射場分布。

圖10. 輻射性能測試結果與文獻對比。