供稿人:杨强，李涤尘 发布日期：2018-03-13
当前,主要的金属3D打印工艺分辨率通常在20~50μm，这一局限导致了3D打印技术难以实现微细复杂金属构件的制造。近日，美国加州理工学院Julia R. Greer教授的研究团队提出了一种新的金属3D打印工艺，可以打印出分辨率为25~100 nm的复杂三维金属结构，该工艺方法简单易操作且可重复，为3D打印纳米尺度的复杂三维金属结构提供了一种全新的途径。
该技术首先通过2-甲氧乙氧基镍和丙烯酸配体交换反应制备出一种富含金属镍的有机前驱体，再将其与丙烯酸树脂和光引发剂混合组成富含金属镍的光刻胶；利用双光子光刻技术（TPL）成型出三维聚合物结构；最后通过热解聚合物中的有机物得到含镍质量分数大于90%的三维纳米金属结构。
图1 纳米金属结构的增材制造工艺和样品的SEM表征 (a)配体交换反应用于合成金属前驱体；(b) 金属前驱体，丙烯酸树脂和光引发剂混合组成富含金属的光刻胶；(c) TPL工艺示意图；(d) 金属聚合物制备；(e) 热解去除有机物并将聚合物转变为金属；(f-h) 聚合物样品的SEM图像；（i-j）聚合物热解后金属样品的SEM图像
该技术热解过程中，聚合物样品会在氩气气氛中加热至1000 ℃，使有机物充分裂解，同时将金属颗粒熔合在一起且保持金属结构的完整性。研究发现，在热解过程中样品的尺寸较加热前收缩了80%，但保持了以前的形状和比例，这也是能够让试样尺寸变得如此之小的一个重要原因。
图2 金属纳米结构样品的EDS表征 (a) 热解前SEM图像（20μm）；(b) 热解后SEM图像（4μm）；(c-d) EDS成分分析；Ni含量超90%，Si为底部支撑；(e-h) EDS面扫描，元素的均匀分布
图3 金属纳米结构样品的TEM表征 (a)基底为200nm厚SiN薄膜上直接成型的Ni束SEM图像；(b) 悬挂在SiN薄膜1.25μm孔边缘的Ni束的低倍TEM图像；(c-d) 区域电子衍射图谱，Ni束主要由Ni纳米晶与少量NiO组成；(e) 金属束的HRTEM图像；(f) n=40颗粒尺寸直方图
图4 金属纳米结构样品的力学测试 (a-d) 压缩实验过程中纳米金属镍样品的SEM图像；(e) 纳米金属镍样品的应力-应变曲线；(f) 不同3D打印方法和不同材料获得的金属试样的强度对比
对试样力学性能进行测试后发现，该技术制造出的纳米尺度金属镍试样相比其他3D打印工艺制备的金属镍试样，依然具有较高的机械强度。
该工艺对钨、钛等高熔点金属的纳米结构3D打印尤其具有吸引力。此外，该技术原理还可应用于陶瓷、半导体材料、压电材料的纳米结构3D打印，并且有望推动3D打印技术在微电子领域的深度应用。