寧波材料所在金屬三維微結(jié)構(gòu)制造與測試方面取得系列進展
隨著現(xiàn)代工業(yè)和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，器件小型化成為未來的發(fā)展趨勢。增材制造（3D打?。┳鳛榻陙砣蛳冗M制造領(lǐng)域的一項新型數(shù)字化成型制造技術(shù)，在快速成型、精確定位、直接構(gòu)筑傳統(tǒng)加工技術(shù)無法實現(xiàn)的高深寬比復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，遠優(yōu)于現(xiàn)有微器件加工技術(shù)。但商業(yè)化增材制造設(shè)備在打印精度(在0.1mm量級)和特征尺度(如高深寬比)方面尚無法用于微納器件的直接制造。因此，開發(fā)具有高精度、高效率和多材質(zhì)的3D微納打印技術(shù)是未來增材制造的主要發(fā)展趨勢。
針對高深寬比復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)在器件小型化和微系統(tǒng)技術(shù)中的的重大需求，寧波材料所增材制造研發(fā)團隊自2013年起致力于“直寫式”3D微打印技術(shù)開發(fā)。經(jīng)過多年發(fā)展，已經(jīng)研制出集電化學(xué)沉積、材料擠出和定點腐蝕技術(shù)于一體的多材料三維微納打印系統(tǒng)。該系統(tǒng)成型精度達到±50nm，成型速度達到0.112μm3·s？1，表面精度達到Ra±2nm。利用本系統(tǒng)能實現(xiàn)金屬、高分子、陶瓷等多種材料的三維微結(jié)構(gòu)加工。
圖1. 不同基底上的純銅微米線陣列
微納尺度三維結(jié)構(gòu)的核心性能取決于材料性能與結(jié)構(gòu)性能兩方面，對其在微納器件中的應(yīng)用至關(guān)重要。因此，微納結(jié)構(gòu)的性能測試一直是業(yè)界研究熱點。主流的測試方法主要采用原子力顯微(AFM)技術(shù)，設(shè)備昂貴，難以大規(guī)模普及。針對這個問題，研究人員采用微尺度力學(xué)方法，開發(fā)了測量材料楊式模量的靜態(tài)法和測量微結(jié)構(gòu)柔性的動態(tài)測量法，并將其應(yīng)用于微米尺度微結(jié)構(gòu)性能表征。
圖2. 微結(jié)構(gòu)力學(xué)性能測試方法及實例
研究人員通過測試發(fā)現(xiàn)，3D微打印制備的三維微結(jié)構(gòu)由銅納米晶組成，其楊氏模量和導(dǎo)電性能均優(yōu)于傳統(tǒng)工藝，分別達到122.6Gpa和2785S·cm？1，接近塊體銅的性質(zhì)；銅螺旋線的柔性可達到0.5989 × 10？14N·m2以下?；谄鋬?yōu)良性能，研究人員正在開發(fā)基于多種三維微結(jié)構(gòu)的微機電執(zhí)行器和光位移生物傳感器。
該研究得到國家自然科學(xué)基金委(Grant No. 11574331)和寧波市科技局(Grant No. 2015B11002 & 2016B10005)的支持。
（納米事業(yè)部 郭建軍）