理化所劉靜研究院：低熔點(diǎn)金屬多孔材料增材制造：性能、潛在應(yīng)用與挑戰(zhàn)

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

多孔液態(tài)金屬作為一大類(lèi)新興的獨(dú)特材料，正逐步在熱控能源、電磁屏蔽、生物醫(yī)學(xué)、柔性電子等領(lǐng)域嶄露頭角；與此同時(shí)，基于常溫液態(tài)金屬的增材制造技術(shù)近年來(lái)取得諸多突破，甚至在電子電路制造方面正規(guī)�；�進(jìn)入市場(chǎng)，然而有關(guān)低熔點(diǎn)液態(tài)金屬多孔材料的增材制造仍處于孕育階段。不同于傳統(tǒng)高熔點(diǎn)金屬的是，低熔點(diǎn)液態(tài)金屬不僅易于實(shí)現(xiàn)內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)的快速構(gòu)筑，而且在外場(chǎng)作用下還可對(duì)其3D多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，這為4D多孔金屬材料的增材制造提供了新的物質(zhì)基礎(chǔ)。



近日，中科院理化所液態(tài)金屬與低溫生物醫(yī)學(xué)研究中心劉靜研究員團(tuán)隊(duì)在國(guó)際期刊《MaterialsToday》上發(fā)表了題為“Additive manufacture of low melting point metal porous materials: Capabilities, potential applications and challenges”的綜述文章，并被選為內(nèi)封面故事。文章以低熔點(diǎn)液態(tài)金屬多孔材料的增材制造為主題，從材料制備、性能、潛在應(yīng)用和未來(lái)挑戰(zhàn)等方面作了系統(tǒng)論述和展望，構(gòu)畫(huà)了這一新興領(lǐng)域的學(xué)術(shù)概貌，可望促進(jìn)增材制造、4D打印等方面材料和制造技術(shù)體系的繁榮。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)重點(diǎn)基金（No. 91748206）、中國(guó)科學(xué)院前沿項(xiàng)目等的資助。


圖文解析

文章首先回顧了低熔點(diǎn)金屬的基本材料屬性，包括低熔點(diǎn)金屬的物化性質(zhì)、電磁屏蔽性能、催化性能、柔性?xún)?chǔ)能、界面特性、生物安全性等；然后，結(jié)合目前主流的增材制造技術(shù)，從低熔點(diǎn)金屬粉末原材料制備及改性、不同的增材制造過(guò)程：Powder bed fusion, Directed energy deposition, Material extrusion, Hybrid3D printing techniques、低熔點(diǎn)金屬多孔材料后處理等方面，系統(tǒng)地分析了當(dāng)前主流增材制造技術(shù)用于制備低熔點(diǎn)金屬多孔材料的可行性，并且概念性地提出了基于低熔點(diǎn)金屬多孔材料的增材制造技術(shù)；接著，定義了增材制造的低熔點(diǎn)金屬多孔材料的基本屬性，闡述了低熔點(diǎn)金屬多孔材料在能源熱管理、電磁屏蔽、催化、電池儲(chǔ)能、仿生、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用；最后，總結(jié)了低熔點(diǎn)金屬多孔材料增材制造技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。

（一）低熔點(diǎn)金屬的基本材料屬性

低熔點(diǎn)金屬常指熔點(diǎn)低于300 °C的金屬、合金及其金屬衍生物，由于合金組成元素的多晶相特征以及組分的差異從而具有不同的熔點(diǎn)。其中，以鎵基和鉍基為代表的低熔點(diǎn)金屬，在室溫或更高溫下呈現(xiàn)液態(tài)，具有沸點(diǎn)高、蒸氣壓低的特性，這使得此類(lèi)金屬材料可在一個(gè)較為寬泛的溫度區(qū)間內(nèi)仍保持液態(tài)。此外，低熔點(diǎn)金屬固有的導(dǎo)熱/導(dǎo)電性強(qiáng)、表面張力大，在室溫條件下便可實(shí)現(xiàn)固液相可逆轉(zhuǎn)變，且其制造工藝無(wú)需高溫冶煉、環(huán)保無(wú)毒，因而備受研究人員的青睞。



圖 1 低熔點(diǎn)金屬的典型物理性質(zhì)

低熔點(diǎn)金屬上述屬性常賦予其獨(dú)特的功能特性，包括獨(dú)特的電磁屏蔽性能、催化性能、柔性?xún)?chǔ)能、界面特性以及生物安全性等。例如，基于低熔點(diǎn)液態(tài)金屬的流動(dòng)性以及液體的表界面特性，液態(tài)金屬的系列非常規(guī)界面行為被相繼挖掘，如圖2所示為低熔點(diǎn)金屬的自驅(qū)動(dòng)、心跳、胞吞效應(yīng)、自生長(zhǎng)、自愈合、變色、大尺度變形等仿生行為。



圖 2 基于液態(tài)金屬界面特性的仿生應(yīng)用

在將低熔點(diǎn)金屬材料應(yīng)用于不同領(lǐng)域時(shí)，應(yīng)首先考慮材料的生物安全性。目前，低熔點(diǎn)金屬的生物安全性在諸多生物應(yīng)用中均得到了明確的闡述，越來(lái)越多的證據(jù)表明了鎵基和鉍基低熔點(diǎn)金屬良好的生物相容性和低細(xì)胞毒性。圖3展示了近十年來(lái)低熔點(diǎn)金屬在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的典型工作。



圖 3 近十年來(lái)低熔點(diǎn)金屬在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的典型研究

（二）低熔點(diǎn)金屬多孔材料的增材制造

目前，低熔點(diǎn)金屬多孔材料的增材制造仍處于起步階段，相應(yīng)的進(jìn)展仍然較少。借鑒現(xiàn)有成熟的增材制造技術(shù)，文章以粉末床熔融技術(shù)為示例，首先規(guī)劃了低熔點(diǎn)金屬多孔材料的增材制造技術(shù)路線，如圖4所示。接著，討論了以金屬粉末/線材為原材料制備多孔金屬材料的粉末床熔融技術(shù)和定向能量沉積技術(shù)，以及以熔融金屬為原料制備多孔金屬材料的材料擠出成型增材制造技術(shù)，逐一明晰了目前主流的增材制造技術(shù)應(yīng)用低熔點(diǎn)金屬多孔材料的可行性。圖5、6為復(fù)合增材制造技術(shù)制備的低熔點(diǎn)金屬陣列化結(jié)構(gòu)。



圖 4 粉末床熔融技術(shù)制備低熔點(diǎn)金屬多孔材料的技術(shù)路線圖


圖 5 復(fù)合增材制造技術(shù)制備低熔點(diǎn)金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)


圖6 液態(tài)金屬多孔結(jié)構(gòu)可控制備

（三）低熔點(diǎn)金屬多孔材料的基本性能與潛在應(yīng)用

低熔點(diǎn)金屬多孔材料，作為金屬材料一個(gè)新的分支，將低熔點(diǎn)金屬的基本屬性與多孔材料完美地結(jié)合在一起，有效提高了低熔點(diǎn)金屬材料的適應(yīng)性。低熔點(diǎn)金屬多孔材料的基本特性主要表現(xiàn)在其自修復(fù)、柔性、可調(diào)控的金屬導(dǎo)電/導(dǎo)熱性、自生長(zhǎng)、密度可調(diào)、可修飾的生物性能，這賦予低熔點(diǎn)金屬多孔材料多功能特性以及多元化的應(yīng)用前景。低熔點(diǎn)金屬多孔材料有望在熱源熱管理、催化、電磁屏蔽、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用、仿生和柔性電池儲(chǔ)能領(lǐng)域得到廣泛推廣與應(yīng)用。圖7展示了由低熔點(diǎn)金屬多孔材料各種基本性能出發(fā)可望發(fā)展出的系列潛在應(yīng)用。



圖 7 低熔點(diǎn)金屬多孔材料的基本性能與潛在應(yīng)用

總結(jié)與展望

低熔點(diǎn)金屬在增材制造領(lǐng)域已展現(xiàn)出極大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，將現(xiàn)有的低熔點(diǎn)金屬材料研究與成熟的增材制造技術(shù)深度結(jié)合，亦或從中獲得足夠的靈感提出新型技術(shù)，將助力低熔點(diǎn)金屬多孔材料的增材制造技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)促進(jìn)多孔金屬材料體系和增材制造技術(shù)的繁榮。目前，低熔點(diǎn)金屬多孔材料的增材制造仍面臨如下挑戰(zhàn)：

（1）從材料角度講，應(yīng)長(zhǎng)期致力于對(duì)低熔點(diǎn)金屬固有屬性的提升與改善。如進(jìn)一步提升低熔點(diǎn)金屬的導(dǎo)電/導(dǎo)熱性、生物相容性和機(jī)械性能等，這對(duì)拓寬低熔點(diǎn)金屬多孔材料的應(yīng)用具有重要意義。此外，低熔點(diǎn)金屬熔點(diǎn)的連續(xù)調(diào)節(jié)較為困難，特定溫度范圍內(nèi)無(wú)毒低熔點(diǎn)金屬的研究依然匱乏，未來(lái)迫切需要開(kāi)展低熔點(diǎn)金屬的“材料基因組計(jì)劃”。

（2）從低熔點(diǎn)金屬粉末的制備與修飾講，現(xiàn)有的制備技術(shù)制得的低熔點(diǎn)金屬粉末，在粉末粒徑和尺寸均一性方面，與實(shí)際應(yīng)用之間仍存在較大的差距。此外，為提升低熔點(diǎn)金屬多孔材料的適應(yīng)性，低熔點(diǎn)金屬粉末應(yīng)兼?zhèn)涠嘀胤�(wěn)定性，如耐酸、耐堿、耐腐蝕、抗氧化等。低熔點(diǎn)金屬粉末的復(fù)合制備、無(wú)氧化存儲(chǔ)以及低熔點(diǎn)金屬粉末的改性至關(guān)重要。

（3）鑒于材料的特殊性，低熔點(diǎn)金屬多孔材料的增材制造仍然面臨技術(shù)瓶頸，缺乏成體系的理論指導(dǎo)，低熔點(diǎn)金屬多孔材料增材制造的理論體系亟待建立。

（4）金屬/非金屬?gòu)?fù)合增材制造技術(shù)為液態(tài)低熔點(diǎn)金屬多孔材料的結(jié)構(gòu)維持提供了新的解決方案，該技術(shù)除了需要考慮低熔點(diǎn)金屬與非金屬材料的操作溫度的差異，還應(yīng)關(guān)注低熔點(diǎn)金屬與非金屬之間的材料相容性及其表面相互作用，尋找適宜的非金屬材料對(duì)低熔點(diǎn)金屬多孔材料的復(fù)合增材制造意義重大。

（5）對(duì)于4D低熔點(diǎn)金屬多孔材料的物性及性能表征，包括導(dǎo)電/導(dǎo)熱性、孔隙分布及其微觀形貌的實(shí)時(shí)檢測(cè)仍面臨巨大挑戰(zhàn)，開(kāi)發(fā)適用于4D低熔點(diǎn)金屬多孔材料物性及性能實(shí)時(shí)表征技術(shù)仍任重而道遠(yuǎn)。

全文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.03.019