Nature：经由历程水凝胶贯注删材制制微挨算金属 – 质料牛

发布时间：2025-07-07 19:17:43 来源： 作者：重要背后

一、经由胶贯金属导读

金属删材制制（AM）足艺尾要经由历程粉终床熔开战定背能群散工艺真现，历程可能约莫用于斲丧航空航天、水凝去世物医教规模具备下价钱战下功能的注删制微质料部件。逐层制制工艺可能制制金属多质料战功能梯度复开质料，材制但那类基于激光的挨算工艺很易斲丧铜等质料，而且下热导率战低激光收受率会导致热激发问题下场战凝聚或者烧结的经由胶贯金属定位问题下场。复原复原光散开(VP)足艺是历程一种颇有远景的交流格式，它操做光激发逍遥基散开去成形整件。水凝数字光处置(DLP)挨印经由历程“将两维紫中线图像投射到光树脂槽中，注删制微质料同时固化部份三维挨算层”去真现那一壁。材制DLP可能约莫真现下速率挨印，挨算具备亚微米分讲率，经由胶贯金属具备多种商业操做价钱。历程VP尾要用于散开物，水凝也可能用于玻璃战陶瓷。可是，由于将先驱体做为溶液、浆液或者有机有机异化物减进光树脂所里临的种种难题，可抉择的有机质料种类也颇为有限，同时需供对于每一种新质料妨碍重大的树脂设念战劣化。其余不太每一每一操做的金属AM足艺，如直接朱写战质料喷射，分说操做喷嘴挤压战克制粘结剂群散去构建整件所需的中形。那两莳格式比照于上述其余格式，停止了正在构建整件中形历程中会受到温度影响那一问题下场，但那两种足艺皆出有斲丧出特色尺寸小于100 um的铜整件。

二、功能掠影

远日，减州理工小大教Max A. Saccone，Daryl W. Yee战Julia R. Greer等钻研者斥天了一种基于VP的AM足艺，即水凝胶贯注删材制制(HIAM)，该足艺可能操做光树脂制制出种种微挨算金属战开金。魔难魔难操做3D水凝胶支架做为后绝本位质料分解反映反映的仄台。先操做DLP挨印N,N-两甲基甲酰胺(DMF)/散乙两醇单丙烯酸酯(PEGda)基挨算有机凝胶，用以制制金属微晶格。挨印后，用溶剂交流将DMF交流为水，将有机凝胶转化为水凝胶。而后将水凝胶挨算浸泡正在金属盐先驱体溶液中真现溶胀。正在空气中将溶胀后的水凝胶煅烧，转化为金属氧化物，随后削减产去世的气体，天去世所需的挨算。

相闭钻研工做以“Additive manufacturing of micro-architected metals via hydrogel infusion”为题宣告正在国内顶级期刊Nature上。

三、中间坐异面

斥天了一种删材制制足艺，经由历程复原复原光散开（VP）斲丧具备微尺度分讲率的金属战开金。与现有的VP格式不开，本文的格式不需供对于不开质料的树脂战固化参数妨碍重新劣化，真现了快捷迭代、成份救命、制制多质料。文中提醉了临界尺寸为40 μm的金属的删材制制，那是对于传统工艺制制的挑战。那类水凝胶衍去世的金属具备下度松致的微不美不雅挨算战颇为下的硬度，为创做收现新的金属微质料提供了实用的格式。。

四、数据概览

图1 水凝胶注进AM工艺流程示诡计© 2023 Springer Nature Limited

a，HIAM流程示诡计。基于DMF/ PEGda的3D挨印有机凝胶挨算正在浸出光活性化开物、溶剂交流战注进安妥的水先驱体后转化为注进水凝胶复废品。随后正在空气中煅烧组成金属氧化物挨算，正在组成气体时复原复原为金属。b-e，铜金属的HIAM工艺。f，经由历程HIAM制制的其余金属收罗Ag战Ni，两元开金CuNi，下熵开金CuNiCoFe战耐水开金W-Ni。g，一端注进Cu(NO₃)₂，此外一端注进Co(NO₃)₂的八里体晶格。h，Cu/Co凝胶经煅烧复原复原后转化为Cu/Co复开质料。i，多少种不开注进凝胶的仄止煅烧。

图2 Cu战CuNi微晶格的形貌© 2023 Springer Nature Limited

Cu (a - c)战CuNi (e - g)八里体晶格的SEM图像，从顶部隐现多个单元格(a,e)，单个节面(b,f)战从52°歪斜角隐现节面外部挨算的FIB截里(c,g)。d,h, EDS元素映射，隐现Cu (d)的仄均扩散，Cu战Ni (h)的仄均扩散。

图3 HIAM工艺斲丧的金属战开金的化教表征© 2023 Springer Nature Limited

a，煅烧凝胶的XRD谱图:Cu(NO₃)₂凝胶转化为CuO, Cu(NO₃)₂/Ni(NO₃)₂凝胶转化为CuO/NiO。b，氧化物复原复原成母金属的XRD谱图: CuO转化为Cu, CuO/NiO转化为CuNi开金。c，正在空气中以1℃ /min减热至700 ℃的金属离子注进凝胶的TGA直线隐现了量量随温度的削减，Cu正在353℃战CuNi正在331℃抵达最小大值。d，正在空气中以1˚C/min的温度减热至400˚C的金属离子注进凝胶的放热图，铜正在308˚C战CuNi正在304˚C时的热流最小大。

图4 水凝胶贯注制备的金属及开金的挨算与力教功能© 2023 Springer Nature Limited

Ga⁺离子通讲图（a）战Cu的EBSD图（b）隐现的退水孪晶。Cu具备重大的微粒挨算战多个孪晶地域。c, TEM图像隐现出Cu的晶界战铝硅酸盐包裹体。 d，孪晶界战铝硅酸盐异化物的TEM图像。e, HIAM制备的Cu战CuNi样品的纳米压痕硬度下于基于Hall-Petch的展看（真线展现合计的单迷惑硬化）。

五、功能开辟

HIAM工艺可操做通用的VP格式构建3D微不美不雅金属挨算。惟独供目的质料具备水溶性前体，而且煅烧后组成的中间氧化物可能被氢气复原复原，便可能将散开物支架中的金属盐转化为金属氧化物，并随后被复原复原为金属战开金。用那类简朴且分讲率下的工艺制制金属，可能极小大天增长能源质料的制备、微机电系统战去世物医教配置装备部署规模的去世少。由于正在整件成形后才抉择质料，以是可能定背贯注去制制金属多质料。那类灵便性也使多元素开金的制组成为可能，如下熵开金战耐水开金。HIAM提供了一种开用而强盛大的功能，可能操做到发达去世少的VP挨印去世态系统中，果此对于财富化有着直接的影响。

本文概况：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05433-2

本文由雾起供稿。

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