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        寧波材料所在并行3D微打印及結構調控方面取得新進展
        作者:,日期:2021-10-26

          隨著結構材料增材制造技術逐漸走向成熟,產業界對面向電、磁、光和熱功能材料的3D打印技術需求逐步增加。根據材料與性能的構效關系,各種性能的調控與優化需要從微納尺度結構調控入手。但現有成熟的增材制造技術還存在成型精度不高、難于多材料集成等關鍵問題,嚴重制約著增材制造技術的應用推廣。特別是隨著近年來器件的小型化發展,對微/納米尺度復雜三維(3D)結構的需求也越來越緊迫。包括MEMS、集成電路和生物醫療系統等對微/納米結構快速定制、批量化加工以及多材料原位集成提出了更高的要求。因此,開發具有高性能、高效率和多組分的3D微納打印技術是未來增材制造發展的趨勢。

          中國科學院寧波材料技術與工程研究所增材制造材料技術團隊提出了電化學梯度調控微結構新原理,采用動態彎液面限域技術,實現了高純度、高密度納米孿晶和納米晶的按需調控。制備的三維納米孿晶銅結構同時具有較高的力學強度和導電性能,彈性模量值高達~155.2 GPa,硬度值達~2.4 Gpa(如圖1)。該方法為高性能微電子系統的3D全打印和集成電路的發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的自調節生長機制,實現超高縱橫比、超高密度的銅微結構并行工藝制造。這種大面積的銅微結構陣列具有高的機械屈服強度、高的導電性和設計的機械順應性(如圖2)。研究人員將這種彎液面限域的電沉積工藝擴展到大面積平行制備高精密金屬微結構中,成型速度提高400倍以上,為微電子機械系統以及微系統集成開發了一種靈活且具有成本效益的有力方法。

          進一步,研究人員在彎液面中集成共沉積模式,從單一電解質中打印出成分覆蓋范圍廣(Co9Cu91~Co100Cu0)、形貌可控的Co/Cu合金微結構。這種工藝制備的合金線內部結構致密,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(如圖3)。利用這種工藝不僅可以制造磁性微/納米機電器件,還可以制備連續的合金成分庫來進行材料表征,從而促進對合金材料的基礎研究。

          相關工作已在國際著名期刊(Appl. Mater. Today 24 (2021) 101085; Appl. Mater. Today 24 (2021) 101138)上發表;上述研究工作得到國家自然基金委(No. 11874366),浙江省自然科學基金(No. LZ22E030001)等的支持。

        圖1 高電化學梯度制備孿晶銅結構

        圖2 并行3D打印銅金屬線陣列及其力學性能

        圖3 3D打印多組分Co/Cu合金線

          (納米實驗室 雷雨 郭建軍)

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