加州理工学院开发出可3D打印纳米级金属结构的新技术

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3D虎 2018-02-13 10:43:54 13172
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纳米3D打印是许多研究人员正在努力进一步开发的一项小规模技术,而使用金属进行纳米级3D打印是主要挑战之一。但加州理工学院的研究人员已经开发出一种技术,使3D打印复杂的纳米金属结构成为可能……

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  纳米3D打印是许多研究人员正在努力进一步开发的一项小规模技术,而使用金属进行纳米级3D打印是主要挑战之一。但加州理工学院的研究人员已经开发出一种技术,使3D打印复杂的纳米金属结构成为可能。一旦他们的过程被放大,它就可以用于在计算机芯片上创建3D逻辑电路、构建微型医疗植入物以及设计超轻型飞机组件等应用。


加州理工学院开发出可3D打印纳米级金属结构的新技术


  加利福尼亚工程与应用科学部材料科学、力学和医学工程学教授、材料专家Julia Greer是Greer Group的管理者,同时也是3D打印极小体系结构方面的专家。她的小组使用各种材料(如有机化合物和陶瓷)3D打印结构,并且他们已经用仅有纳米级的光束构建了3D晶格。


加州理工学院开发出可3D打印纳米级金属结构的新技术


  然而,在制作人类头发宽度一半的结构时,金属已经证明难以进行3D打印,而这正是该团队的专长。


  双光子光刻是一种3D打印技术,可以产生小于人类头发百分之一宽度的纳米级特征。纳米级3D打印涉及这一过程,其中高精度激光器利用两个光子将材料的某些位置的液体分离。但是,虽然这可以将液态聚合物硬化成固体,但在将金属熔合在一起时,它并未证明非常有效。


  “金属不像我们用来制造纳米级结构的聚合物树脂那样对光线做出反应。当光线与聚合物相互作用时会引发化学反应,使聚合物变硬并形成特定的形状。在金属中,这个过程根本不可能。”Greer解释说。


加州理工学院开发出可3D打印纳米级金属结构的新技术


  但是Greer的研究生之一Andrey Vyatskikh非常有创造力,他开发了一种使用有机配体的树脂,它是与金属结合的分子。树脂大多由聚合物组成,但带有可3D打印金属。通过合成这些含有金属离子的有机支架,他能够3D打印比以前小得多的金属结构。


  研究团队在一篇题为“3D打印纳米级金属结构”的研究中描述了这项新技术,该研究刚刚发表在Nature Communications杂志上。论文的共同作者包括Vyatskikh、法国技术中心的StéphaneDelalande,加州理工Resnick可持续性研究所博士后学者Akira Kudo、中国清华大Xuan Zhang、机械工程研究生Carlos Portela和Greer。此外,国防部对他们的研究进行了资助。


加州理工学院开发出可3D打印纳米级金属结构的新技术


  摘要写道:“现有的大多数金属增材制造(AM)方法将分辨率固有地限制在约20-50μm,这使得它们不能用于产生具有较小特征的复杂金属3D打印结构。我们开发了一种基于光刻技术的工艺,以创建具有~100 nm分辨率的复杂纳米级3D打印金属结构。我们首先合成含Ni的杂化有机-无机材料以产生富金属光刻胶,然后使用双光子光刻来雕刻3D聚合物支架,并将它们热解以使有机物挥发,产生> 90wt%的含Ni结构。我们展示了具有八角形的几何形状,2μm晶胞和由20nm晶粒纳米多孔镍制成的300-400nm直径光束的纳米晶格。纳米力学实验揭示其强度比为2.1-7.2 MPa g ^( - 1)cm ^ 3,这与使用现有金属AM工艺制作的晶格结构相当。”


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  对于在论文中详细描述的实验,Vyatskikh通过将镍和有机分子粘合在一起制造了一种非常类似咳嗽糖浆的液体。然后,团队设计了一个结构,并使用双光子光刻工艺创建它:激光可以在分子之间产生更强的化学反应,从而使它们变硬并成为构建块。镍被结合到结构中,因为分子结合到镍原子上。


  将结构放入烘箱中,在真空室中将其缓慢加热至1000℃,该温度远低于镍的熔点,但热量足以蒸发有机材料,仅留下结构的金属部分。金属颗粒也融合在一起,而这种称为热解的独特加热过程使结构汽化了大量材料,其尺寸缩小了80%。但其比例和3D打印形状仍然存在。


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  主要作者Vyatskikh解释说:“最终的缩小是我们为什么能够让结构变得如此之小的重要组成部分。在我们为纸张构建的结构中,打印部分中的金属梁的直径大约是缝纫针尖端尺寸的1/1000。”


  纸张结构中有一些微小的杂质,并且蒸发的有机材料留下了一些空隙,所以这项技术仍然需要进一步的研究。 此外,Greer表示,为了生产更多的材料,这一过程需要扩大规模。她和Vyatskikh正在研究是否可以使用该过程来3D打印其他材料,如半导体、陶瓷和压电材料,甚至是在工业中经常使用的材料,但很难制成像钛和钨这样的小型3D结构。


延伸阅读:《3DPrintingDB:线材专用3D打印机设置的数据库

(来源:3D虎) 关键词: 金属3D打印 3D打印 3D打印技术
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