南京理工大學(xué)：基于離子交換水凝膠的微結(jié)構(gòu)銅增材制造

來源：高分子科技

銅在航空航天、納米技術(shù)、熱力工程和醫(yī)療行業(yè)等領(lǐng)域占有重要地位。利用增材制造技術(shù)可以創(chuàng)造復(fù)雜的銅立體結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)傳統(tǒng)制造方法難以企及的創(chuàng)新設(shè)計并應(yīng)用于更多操作場景。然而，現(xiàn)有以銅粉或銅線作為原料的技術(shù)受制于銅的高熱導(dǎo)率和低激光吸收率，實現(xiàn)具有高導(dǎo)電性與高致密度的復(fù)雜銅微結(jié)構(gòu)的制備仍具挑戰(zhàn)。

南京理工大學(xué)王杰平、易文斌、趙子杰等人提出了一種制備具有優(yōu)異電導(dǎo)率和硬度的復(fù)雜三維微結(jié)構(gòu)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(shù)字光處理（DLP）打印技術(shù)來構(gòu)建三維水凝膠支架，再通過離子交換將其轉(zhuǎn)化為富含Cu2+離子負(fù)載的聚合物框架（Cu-CPFs），最后借助脫脂和燒結(jié)，將Cu-CPFs轉(zhuǎn)化為復(fù)雜銅微結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1 基于離子交換水凝膠的微結(jié)構(gòu)銅增材制造

借助離子交換的高負(fù)載特性，本方法能夠制備跨尺度、高設(shè)計自由度的復(fù)雜銅微結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了4.91 µΩ·cm的低電阻率（相當(dāng)于銅塊的2.9倍）。將金屬離子原位還原的脫脂燒結(jié)步驟為銅微結(jié)構(gòu)引入了大量的孿晶結(jié)構(gòu)，并與燒結(jié)中輕質(zhì)元素（碳、氧）的溶解共同增強(qiáng)了銅結(jié)構(gòu)硬度并遠(yuǎn)超理論值（圖2）。

圖2 復(fù)雜銅微結(jié)構(gòu)樣品圖及性能表征

本方法采用基底成型-金屬配位-脫脂燒結(jié)的間接打印策略，可減少打印不同金屬時需重新優(yōu)化樹脂組分和打印參數(shù)等繁雜步驟，進(jìn)而擴(kuò)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(jié)構(gòu)提供科學(xué)基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，有望為車輛和空間應(yīng)用、熱交換器或生物醫(yī)學(xué)設(shè)備中精密組件的制造提供新思路。

論文信息
Additive Manufacturing of Micro-Architected Copper based on an Ion-Exchangeable Hydrogel
Songhua Ma, Wuxin Bai, Dajun Xiong, Guibin Shan, Zijie Zhao, Wenbin Yi, Jieping Wang
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202405135