南京理工大學：基于離子交換水凝膠的微結構銅增材制造

來源：高分子科技

銅在航空航天、納米技術、熱力工程和醫(yī)療行業(yè)等領域占有重要地位。利用增材制造技術可以創(chuàng)造復雜的銅立體結構，從而實現(xiàn)傳統(tǒng)制造方法難以企及的創(chuàng)新設計并應用于更多操作場景。然而，現(xiàn)有以銅粉或銅線作為原料的技術受制于銅的高熱導率和低激光吸收率，實現(xiàn)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(zhàn)。

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(yōu)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(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化為復雜銅微結構（圖1）。

圖1 基于離子交換水凝膠的微結構銅增材制造

借助離子交換的高負載特性，本方法能夠制備跨尺度、高設計自由度的復雜銅微結構，實現(xiàn)了4.91 µΩ·cm的低電阻率（相當于銅塊的2.9倍）。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(zhì)元素（碳、氧）的溶解共同增強了銅結構硬度并遠超理論值（圖2）。

圖2 復雜銅微結構樣品圖及性能表征

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(yī)學設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