南理工王杰平、易文斌、赵子杰等 Angew：基于离子交换水凝胶的微结构铜增材制造

2024-04-07 来源：高分子科技

关键词：优异电导率硬度复杂三维微结构铜可离子交换型光敏树脂数字光处理打印水凝胶支架

铜在航空航天、纳米技术、热力工程和医疗行业等领域占有重要地位。利用增材制造技术可以创造复杂的铜立体结构，从而实现传统制造方法难以企及的创新设计并应用于更多操作场景。然而，现有以铜粉或铜线作为原料的技术受制于铜的高热导率和低激光吸收率，实现具有高导电性与高致密度的复杂铜微结构的制备仍具挑战。

图1 基于离子交换水凝胶的微结构铜增材制造示意图

近期，南京理工大学王杰平、易文斌、赵子杰等人提出了一种制备具有优异电导率和硬度的复杂三维微结构铜的简便高效方法：首先制备可离子交换型光敏树脂，并利用数字光处理（DLP）打印技术来构建三维水凝胶支架，再通过离子交换将其转化为富含Cu²⁺离子负载的聚合物框架（Cu-CPFs），最后借助脱脂和烧结，将Cu-CPFs转化为复杂铜微结构（图1）。本方法采用基底成型-金属配位-脱脂烧结的间接打印策略，可减少打印不同金属时需重新优化树脂组分和打印参数等繁杂步骤，进而扩大适用金属种类，提高材料选择自由度。可为制备高精度、多组分、高性能集成的金属微结构提供科学基础和技术支撑，有望为车辆和空间应用、热交换器或生物医学设备中精密组件的制造提供新思路。该工作以“Additive manufacturing of micro-architected copper based on an ion-exchangeable hydrogel”为题发表在《Angew. Chem. Int. Ed.》上（Angew. Chem. Int. Ed. 2024，e202405135）。文章的第一作者是南京理工大学博士生马颂骅。该研究得到国家自然科学基金委和中南大学粉末冶金国家重点实验室的支持。

图2铜样品结构表征图

图3铜样品及性能表征图

该工作是团队近期基于无机盐的金属增材制造相关研究的最新进展之一。本方法能够实现特征分辨率小于100 μm的复杂铜微结构（图2a，b），通过脱脂烧结形成的铜结构拥有高纯度与致密度，在同类间接打印的技术中属于处于领先水平（图2c）。同时，通过高分辨透射电子显微镜观察到成型的微结构内存在大量孪晶，这是现有铜粉末冶金技术难以实现的（图2d，e）。采用基底成型-金属配位-脱脂烧结的间接打印策略，从根源解决铜增材制造受限于原材料高热导率和低激光吸收率的问题，借助光固化成型技术有效提高铜微结构分辨率（图3a）。借助离子交换的高负载特性，能够制备跨尺度、高设计自由度的复杂铜微结构，实现了4.91 μΩ·cm的低电阻率（相当于铜块的2.9倍）（图3b）。将金属离子原位还原的脱脂烧结步骤为铜微结构引入了大量的孪晶结构，并与烧结中轻质元素（碳、氧）的溶解共同增强了铜结构硬度并远超理论值（图3c，d）。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202405135

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（责任编辑：xu）

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