【引言】
增材制造是增造新一種能將各種材料逐層制造成三維結(jié)構(gòu)的工藝，其中金屬增材制造工藝徹底改變了航空航天、材制材料汽車和醫(yī)療應(yīng)用中復(fù)雜零件的工藝生產(chǎn)。然而目前增材制造工藝分辨率僅為20-50μm，打印嚴(yán)重限制了納米級復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)金屬器件的金屬結(jié)構(gòu)生產(chǎn)。而納米級金屬具有特殊的納米牛性能，因此需開發(fā)一種制造具有宏觀總體尺寸和微觀亞微米3D金屬結(jié)構(gòu)的增造新工藝。目前等離子沉積和電子束自由成形制造之類的材制材料基于線和細(xì)絲的工藝可以生產(chǎn)毫米尺寸的器件，選擇性激光熔化（SLM）和激光工程網(wǎng)狀成形等基于粉末的工藝工藝可將最小特征尺寸限制在20μm左右，局部電鍍或金屬離子還原方法可非常緩慢的打印制造分辨率小于500nm的結(jié)構(gòu)，電化學(xué)制造（EFAB）允許制造分辨率為10μm的金屬結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，但限于層厚4μm，納米牛總高度為25-50層的增造新結(jié)構(gòu)。
【成果簡介】
近日，材制材料美國加州理工學(xué)院Julia R. Greer（通訊作者）在Nat.Commun.上發(fā)表了一篇題為“Additive manufacturing of 3D nano-architected metals”的工藝文章。該團(tuán)隊通過合成含有鎳聚合物的雜化有機(jī) - 無機(jī)材料，并用其制造光刻膠，利用雙光子光刻技術(shù)（TPL）以及熱解制造了分辨率為25-100納米的復(fù)雜三維金屬幾何圖形。該過程容易且可重復(fù)，為創(chuàng)建具有納米尺度分辨率的復(fù)雜三維金屬結(jié)構(gòu)提供了有效的途徑。
【圖文解讀】
圖一 納米金屬增材制造工藝和樣品的SEM表征
(a) 配體交換反應(yīng)用于合成金屬前驅(qū)體；
(b)混合金屬前驅(qū)體，丙烯酸樹脂和光引發(fā)劑以形成富含金屬的光刻膠；
(c) TPL工藝示意圖；
(d) 金屬聚合物制備；
(e) 熱解去除有機(jī)物并將聚合物轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘伲?/p>
(f-j) 代表性的SEM圖像。
圖二 納米結(jié)構(gòu)金屬的EDS表征
(a) 熱解前SEM圖像（20μm）；
(b) 熱解后SEM圖像（4μm）；
(c-d) EDS成分分析；Ni含量超90%，Si為底部支撐；
(e-h) EDS面掃描，元素沉積高均勻性。
圖三 金屬結(jié)構(gòu)TEM表征
(a) Ni束SEM圖像，基底為200nm厚SiN薄膜；
(b) 懸掛在SiN薄膜1.25μm孔邊緣的Ni束的低倍TEM圖像；
(c-d) 區(qū)域電子衍射圖譜，Ni束主要由Ni納米晶與少量NiO組成；
(e) 金屬束的HRTEM圖像；
(f) n=40顆粒尺寸直方圖。
圖四 納米力學(xué)測試
(a-d) 壓縮實驗過程中Ni結(jié)構(gòu)的SEM圖像；
(e) 納米Ni的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；
(f) 不同打印方法獲得的納米Ni強(qiáng)度-金屬束直徑曲線。
【小結(jié)】
研究人員基于雙光子光刻技術(shù)開發(fā)了增材制造新工藝，分辨率達(dá)25-100nm，比其他方法打印的器件低一個量級，且不犧牲機(jī)械強(qiáng)度。該工藝也使適用于其他金屬的打印，對于流線型生產(chǎn)亞微米器件具有實際意義。
文獻(xiàn)鏈接：Additive manufacturing of 3D nano-architected metals (Nat.Commun., 09 Feb, 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-03071-9)
本文由材料人編輯部金屬學(xué)術(shù)組liunian投稿，材料牛編輯整理。
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