南理工王杰平、易文斌等 Adv. Sci.：通過(guò)光固化3D打印制備高密度微結(jié)構(gòu)鎢

2024-08-26 來(lái)源：高分子科技

鎢(W)因其獨(dú)特的性能組合而受到高度重視，其中包括高密度，優(yōu)異的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，卓越的機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)越的化學(xué)穩(wěn)定性。然而，諸如粉末冶金、化學(xué)氣相沉積和真空熔化等傳統(tǒng)加工方法難以制備形狀復(fù)雜的鎢。相較之下，增材制造技術(shù)具有靈活的設(shè)計(jì)自由度，可加工任意形狀的零部件。然而，現(xiàn)有的鎢增材制造技術(shù)如粉末床熔合和定向能沉積等，受光束尺寸和粉末質(zhì)量的限制，成品表面質(zhì)量不佳，且難以進(jìn)行微納級(jí)別的加工。與其他增材制造技術(shù)相比，還原光聚合為制造具有優(yōu)異形狀保真度和較低表面粗糙度的復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)提供了一條有前途的途徑。然而現(xiàn)有的還原光聚合技術(shù)所制造的鎢結(jié)構(gòu)普遍存在表面缺陷多、密度低、機(jī)械強(qiáng)度差等缺陷，因此如何利用該技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)鎢的高密度、高強(qiáng)度制造仍是亟待解決的問(wèn)題。

近期，南京理工大學(xué)王杰平、易文斌等人提出了一種簡(jiǎn)單可靠的方法來(lái)制造具有高密度和硬度的復(fù)雜微結(jié)構(gòu)鎢（圖 1a）。這種方法利用了一種含有高濃度鎢離子(47.8 wt.%)的水基光敏樹(shù)脂，使用DLP對(duì)該光敏樹(shù)脂進(jìn)行圖案化以生成負(fù)載鎢離子的前驅(qū)體，最后通過(guò)三步脫脂和燒結(jié)工藝將前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為金屬鎢。相較于現(xiàn)有的研究，該工方法所制備的三維鎢結(jié)構(gòu)具有致密的表面形貌和極少的內(nèi)部缺陷。這些微觀結(jié)構(gòu)的最小特征尺寸約為35 μm，表面粗糙度低至2.86 μm，并且具有優(yōu)異的機(jī)械性能。這種創(chuàng)新的方法有可能徹底改變各個(gè)領(lǐng)域，包括微加工、準(zhǔn)直、檢測(cè)和超材料開(kāi)發(fā)。該工作以“Fabrication of High-Density Microarchitected Tungsten via DLP 3D Printing”為題發(fā)表在《Advanced Science》上（Adv. Sci. 2024, 2405487）。文章的第一作者是南京理工大學(xué)碩士研究生蔡君瑜。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金和江蘇省高層次人才項(xiàng)目的支持。

圖1 a)高密度鎢微結(jié)構(gòu)的制備工藝，b)印刷前驅(qū)體(左)和燒結(jié)鎢(右)，c)含鎢光敏樹(shù)脂配方。

微柱壓縮實(shí)驗(yàn)表明所制備的鎢具有1552MPa的抗壓強(qiáng)度（圖 2b），與塊狀鎢相似。納米壓痕實(shí)驗(yàn)表明在10 mN載荷下，其納米壓痕硬度可達(dá)到7.5 GPa，楊氏模量為292.2 GPa（圖 2c）。在連續(xù)剛度模式下，隨著壓痕深度從20 nm增加到220 nm，其納米壓痕硬度從13.2 GPa下降至7.6 GPa（圖 2d），與市售的鎢相比，其硬度值約為參考值的1.36 ~ 2.05倍（圖 2e）。最后，對(duì)整個(gè)鎢晶格結(jié)構(gòu)進(jìn)行了壓縮測(cè)試。結(jié)果表明，其具有高達(dá)13 MPa的抗壓強(qiáng)度，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)有的報(bào)道值（0.9 MPa）。

圖2 制備的鎢微結(jié)構(gòu)表征:a)表面粗糙度分析，b) 6 μm直徑微柱的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，c)負(fù)載控制模式下測(cè)量的載荷-位移曲線，d)納米硬度與壓痕深度的關(guān)系，e)納米壓痕硬度與已有文獻(xiàn)的比較。

該研究揭示了樹(shù)脂中金屬負(fù)載量對(duì)后續(xù)脫脂燒結(jié)的影響，即越高的金屬離子負(fù)載量越有利于脫脂燒結(jié)的致密化，這一點(diǎn)在以往的研究中未曾被提及。此外，該研究提出的三步燒結(jié)法，進(jìn)一步提高了小尺寸結(jié)構(gòu)在脫脂燒結(jié)后的結(jié)構(gòu)完整性，可為后續(xù)的研究者提供有意義的策略參考。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202405487

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（責(zé)任編輯：xu）

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