供稿人:楊強，李滌塵 發(fā)布日期：2018-03-13
當(dāng)前,主要的金屬3D打印工藝分辨率通常在20~50μm，這一局限導(dǎo)致了3D打印技術(shù)難以實現(xiàn)微細(xì)復(fù)雜金屬構(gòu)件的制造。近日，美國加州理工學(xué)院Julia R. Greer教授的研究團(tuán)隊提出了一種新的金屬3D打印工藝，可以打印出分辨率為25~100 nm的復(fù)雜三維金屬結(jié)構(gòu)，該工藝方法簡單易操作且可重復(fù)，為3D打印納米尺度的復(fù)雜三維金屬結(jié)構(gòu)提供了一種全新的途徑。
該技術(shù)首先通過2-甲氧乙氧基鎳和丙烯酸配體交換反應(yīng)制備出一種富含金屬鎳的有機前驅(qū)體，再將其與丙烯酸樹脂和光引發(fā)劑混合組成富含金屬鎳的光刻膠；利用雙光子光刻技術(shù)（TPL）成型出三維聚合物結(jié)構(gòu)；最后通過熱解聚合物中的有機物得到含鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于90%的三維納米金屬結(jié)構(gòu)。
圖1 納米金屬結(jié)構(gòu)的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) 金屬前驅(qū)體，丙烯酸樹脂和光引發(fā)劑混合組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) 熱解去除有機物并將聚合物轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘伲?f-h) 聚合物樣品的SEM圖像；（i-j）聚合物熱解后金屬樣品的SEM圖像
該技術(shù)熱解過程中，聚合物樣品會在氬氣氣氛中加熱至1000 ℃，使有機物充分裂解，同時將金屬顆粒熔合在一起且保持金屬結(jié)構(gòu)的完整性。研究發(fā)現(xiàn)，在熱解過程中樣品的尺寸較加熱前收縮了80%，但保持了以前的形狀和比例，這也是能夠讓試樣尺寸變得如此之小的一個重要原因。
圖2 金屬納米結(jié)構(gòu)樣品的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，元素的均勻分布
圖3 金屬納米結(jié)構(gòu)樣品的TEM表征 (a)基底為200nm厚SiN薄膜上直接成型的Ni束SEM圖像；(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4 金屬納米結(jié)構(gòu)樣品的力學(xué)測試 (a-d) 壓縮實驗過程中納米金屬鎳樣品的SEM圖像；(e) 納米金屬鎳樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(f) 不同3D打印方法和不同材料獲得的金屬試樣的強度對比
對試樣力學(xué)性能進(jìn)行測試后發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)制造出的納米尺度金屬鎳試樣相比其他3D打印工藝制備的金屬鎳試樣，依然具有較高的機械強度。
該工藝對鎢、鈦等高熔點金屬的納米結(jié)構(gòu)3D打印尤其具有吸引力。此外，該技術(shù)原理還可應(yīng)用于陶瓷、半導(dǎo)體材料、壓電材料的納米結(jié)構(gòu)3D打印，并且有望推動3D打印技術(shù)在微電子領(lǐng)域的深度應(yīng)用。