寧波材料所在并行3D微打印及結(jié)構(gòu)調(diào)控方面取得新進(jìn)展
隨著結(jié)構(gòu)材料增材制造技術(shù)逐漸走向成熟，產(chǎn)業(yè)界對(duì)面向電、磁、光和熱功能材料的3D打印技術(shù)需求逐步增加。根據(jù)材料與性能的構(gòu)效關(guān)系，各種性能的調(diào)控與優(yōu)化需要從微納尺度結(jié)構(gòu)調(diào)控入手。但現(xiàn)有成熟的增材制造技術(shù)還存在成型精度不高、難于多材料集成等關(guān)鍵問題，嚴(yán)重制約著增材制造技術(shù)的應(yīng)用推廣。特別是隨著近年來器件的小型化發(fā)展，對(duì)微/納米尺度復(fù)雜三維（3D）結(jié)構(gòu)的需求也越來越緊迫。包括MEMS、集成電路和生物醫(yī)療系統(tǒng)等對(duì)微/納米結(jié)構(gòu)快速定制、批量化加工以及多材料原位集成提出了更高的要求。因此，開發(fā)具有高性能、高效率和多組分的3D微納打印技術(shù)是未來增材制造發(fā)展的趨勢(shì)。
中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所增材制造材料技術(shù)團(tuán)隊(duì)提出了電化學(xué)梯度調(diào)控微結(jié)構(gòu)新原理，采用動(dòng)態(tài)彎液面限域技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高純度、高密度納米孿晶和納米晶的按需調(diào)控。制備的三維納米孿晶銅結(jié)構(gòu)同時(shí)具有較高的力學(xué)強(qiáng)度和導(dǎo)電性能，彈性模量值高達(dá)～155.2 GPa，硬度值達(dá)～2.4 Gpa（如圖1）。該方法為高性能微電子系統(tǒng)的3D全打印和集成電路的發(fā)展開辟了新的可能性。
為解決成型速度問題，課題組利用彎液面限域電沉積技術(shù)的自調(diào)節(jié)生長(zhǎng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)超高縱橫比、超高密度的銅微結(jié)構(gòu)并行工藝制造。這種大面積的銅微結(jié)構(gòu)陣列具有高的機(jī)械屈服強(qiáng)度、高的導(dǎo)電性和設(shè)計(jì)的機(jī)械順應(yīng)性（如圖2）。研究人員將這種彎液面限域的電沉積工藝擴(kuò)展到大面積平行制備高精密金屬微結(jié)構(gòu)中，成型速度提高400倍以上，為微電子機(jī)械系統(tǒng)以及微系統(tǒng)集成開發(fā)了一種靈活且具有成本效益的有力方法。
進(jìn)一步，研究人員在彎液面中集成共沉積模式，從單一電解質(zhì)中打印出成分覆蓋范圍廣（Co9Cu91～Co100Cu0）、形貌可控的Co/Cu合金微結(jié)構(gòu)。這種工藝制備的合金線內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，成分均勻，并且隨著銅含量的增加，合金線的矯頑力和磁各向異性均增強(qiáng)（如圖3）。利用這種工藝不僅可以制造磁性微/納米機(jī)電器件，還可以制備連續(xù)的合金成分庫(kù)來進(jìn)行材料表征，從而促進(jìn)對(duì)合金材料的基礎(chǔ)研究。
相關(guān)工作已在國(guó)際著名期刊（Appl. Mater. Today 24 (2021) 101085; Appl. Mater. Today 24 (2021) 101138）上發(fā)表；上述研究工作得到國(guó)家自然基金委（No. 11874366），浙江省自然科學(xué)基金（No. LZ22E030001）等的支持。
圖1 高電化學(xué)梯度制備孿晶銅結(jié)構(gòu)
圖2 并行3D打印銅金屬線陣列及其力學(xué)性能
圖3 3D打印多組分Co/Cu合金線
(納米實(shí)驗(yàn)室 雷雨 郭建軍)