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南理工王杰平、易文斌、趙子杰等 Angew：基于離子交換水凝膠的微結構銅增材制造

2024-04-07 來源：高分子科技

關鍵詞：優異電導率硬度復雜三維微結構銅可離子交換型光敏樹脂數字光處理打印水凝膠支架

銅在航空航天、納米技術、熱力工程和醫療行業等領域占有重要地位。利用增材制造技術可以創造復雜的銅立體結構，從而實現傳統制造方法難以企及的創新設計并應用于更多操作場景。然而，現有以銅粉或銅線作為原料的技術受制于銅的高熱導率和低激光吸收率，實現具有高導電性與高致密度的復雜銅微結構的制備仍具挑戰。

圖1 基于離子交換水凝膠的微結構銅增材制造示意圖

近期，南京理工大學王杰平、易文斌、趙子杰等人提出了一種制備具有優異電導率和硬度的復雜三維微結構銅的簡便高效方法：首先制備可離子交換型光敏樹脂，并利用數字光處理（DLP）打印技術來構建三維水凝膠支架，再通過離子交換將其轉化為富含Cu²⁺離子負載的聚合物框架（Cu-CPFs），最后借助脫脂和燒結，將Cu-CPFs轉化為復雜銅微結構（圖1）。本方法采用基底成型-金屬配位-脫脂燒結的間接打印策略，可減少打印不同金屬時需重新優化樹脂組分和打印參數等繁雜步驟，進而擴大適用金屬種類，提高材料選擇自由度。可為制備高精度、多組分、高性能集成的金屬微結構提供科學基礎和技術支撐，有望為車輛和空間應用、熱交換器或生物醫學設備中精密組件的制造提供新思路。該工作以“Additive manufacturing of micro-architected copper based on an ion-exchangeable hydrogel”為題發表在《Angew. Chem. Int. Ed.》上（Angew. Chem. Int. Ed. 2024，e202405135）。文章的第一作者是南京理工大學博士生馬頌驊。該研究得到國家自然科學基金委和中南大學粉末冶金國家重點實驗室的支持。

圖2銅樣品結構表征圖

圖3銅樣品及性能表征圖

該工作是團隊近期基于無機鹽的金屬增材制造相關研究的最新進展之一。本方法能夠實現特征分辨率小于100 μm的復雜銅微結構（圖2a，b），通過脫脂燒結形成的銅結構擁有高純度與致密度，在同類間接打印的技術中屬于處于領先水平（圖2c）。同時，通過高分辨透射電子顯微鏡觀察到成型的微結構內存在大量孿晶，這是現有銅粉末冶金技術難以實現的（圖2d，e）。采用基底成型-金屬配位-脫脂燒結的間接打印策略，從根源解決銅增材制造受限于原材料高熱導率和低激光吸收率的問題，借助光固化成型技術有效提高銅微結構分辨率（圖3a）。借助離子交換的高負載特性，能夠制備跨尺度、高設計自由度的復雜銅微結構，實現了4.91 μΩ·cm的低電阻率（相當于銅塊的2.9倍）（圖3b）。將金屬離子原位還原的脫脂燒結步驟為銅微結構引入了大量的孿晶結構，并與燒結中輕質元素（碳、氧）的溶解共同增強了銅結構硬度并遠超理論值（圖3c，d）。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202405135

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（責任編輯：xu）

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