【引言】

增材制造是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、汽車和醫(yī)療應(yīng)用中復(fù)雜零件的生產(chǎn)。然而目前增材制造工藝分辨率僅為20-50μm，嚴(yán)重限制了納米級(jí)復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)金屬器件的生產(chǎn)。而納米級(jí)金屬具有特殊的性能，因此需開(kāi)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)的工藝。目前等離子沉積和電子束自由成形制造之類的基于線和細(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的結(jié)構(gòu)，但限于層厚4μm，總高度為25-50層的結(jié)構(gòu)。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，美國(guó)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”的文章。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)合成含有鎳聚合物的雜化有機(jī) - 無(wú)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(guò)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(shù)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(cè)試

(a-d) 壓縮實(shí)驗(yàn)過(guò)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(kāi)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(gè)量級(jí)，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(duì)于流線型生產(chǎn)亞微米器件具有實(shí)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)