新工艺允许纳米级金属结构的3D打印

来源:机器人天空    关键词:3D打印,3D打印技术,3D打印运用,    发布时间:2019-01-11

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由于加州理工学院开发的新技术,有史以来第一次可以使用3D打印创建复杂的纳米级金属结构。
该工艺一旦扩大规模,就可用于各种应用,从构建微型医疗植入物到在计算机芯片上创建三维逻辑电路,再到工程超轻型飞机部件。它还为创造一类具有基于内部结构的不寻常特性的新材料打开了大门。

在3D打印(也称为增材制造)中,逐层构建物体,允许通过诸如蚀刻或铣削的常规减成方法来创建不可能制造的结构。加州理工学院材料科学家Julia Greer是通过增材制造建立超灵敏3D架构的先驱。例如,她和她的团队已经建造了三维格子,其光束只有几纳米宽 - 太小而不能用肉眼看到。这些材料具有不寻常的,通常令人惊讶的特性 Greer的团队创造了极其轻质的陶瓷,在压缩后恢复到原来的形状,海绵状。
Greer的3-D组打印出各种材料的结构,从陶瓷到有机化合物。然而,金属难以印刷,特别是当试图制造尺寸小于约50微米或约为人类头发宽度一半的结构时。
三维印刷在纳米尺度下工作的方式是高精度激光器仅用两个光子或光粒子将液体在材料的特定位置上拉开。这提供了足够的能量来将液态聚合物硬化成固体,但不足以熔化金属。
“金属对光的反应与我们用于制造纳米尺度结构的聚合物树脂一样,”加州理工学院工程与应用科学系材料科学,机械和医学工程教授格里尔说。“当光与聚合物相互作用使其硬化然后形成特定的形状时,会发生化学反应。在金属中,这个过程根本不可能。”
格里尔的研究生Andrey Vyatskikh想出了一个解决方案。他使用有机配体 - 与金属结合的分子 - 来制造一种主要含有聚合物的树脂,但它带有可以印刷的金属,就像脚手架一样。
在Nature Communications论文中描述的实验中,Vyatskikh将镍和有机分子结合在一起,形成一种看起来很像咳嗽糖浆的液体。他们使用计算机软件设计了一个结构,然后通过用双光子激光器切换液体来构建它。激光在有机分子之间产生更强的化学键,使它们硬化成结构的构件。由于这些分子也与镍原子键合,因此镍结合到结构中。通过这种方式,该团队能够打印出一种三维结构,该结构最初是金属离子和非金属有机分子的混合物。
Vyatskikh然后将结构放入烤箱中,在真空室中将其缓慢加热至1000摄氏度(约1800华氏度)。该温度远低于镍的熔点(1,455摄氏度,或约2,650华氏度),但足够热以蒸发结构中的有机材料,仅留下金属。被称为热解的加热过程也将金属颗粒熔合在一起。
此外,由于该工艺蒸发了大量结构材料,其尺寸缩小了80%,但仍保持其形状和比例。
“最终的缩水是我们能够让结构变得如此之小的重要原因,”自然通讯报的第一作者Vyatskikh说。“在我们为纸张建造的结构中,印刷部分的金属梁直径大约是缝纫针尖端尺寸的1/1000。”
Greer和Vyatskikh仍然在改进他们的技术; 目前,他们的论文中报道的结构包括蒸发的有机材料留下的一些空隙以及一些微量杂质。此外,如果该技术可用于工业,则需要按比例放大以生产更多材料,Greer说。虽然他们从镍开始,但他们有兴趣扩展到工业中常用的其他金属,但是很难或不可能用小的三维形状制造,如钨和钛。Greer和Vyatskikh也希望利用这种工艺对三维印刷其他材料,包括普通材料和外来材料,如陶瓷,半导体和压电材料(具有机械应力导致电气效应的材料)。