【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院馮繼成課題組成功開發(fā)出一種具有納米精度的高熵合金3D打印方法，為法拉第3D打印技術(shù)再添新篇。該方法開發(fā)了一種納米精度的高熵合金3D打印方法，利用“人工閃電”將各種金屬材料進行原子尺度混合，在常溫常壓載氣的高速冷卻下形成高熵合金納米顆粒，通過控制電場空間構(gòu)型，原位打印出組分可控、熱穩(wěn)定性極佳和力學(xué)性能優(yōu)異的復(fù)雜高熵合金3D納米結(jié)構(gòu)，為高熵合金3D納米結(jié)構(gòu)在諸如芯片等微納器件的應(yīng)用提供了全新的可能性。相關(guān)研究成果以題為“3D-Printed High-Entropy Alloy Nanoarchitectures”發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Small。
 

圖1. 法拉第3D打印高熵合金納米結(jié)構(gòu)及其優(yōu)越性能總覽
 

　　納米器件逐漸向3D集成方向的發(fā)展，對材料空間自由度、機械性能、熱穩(wěn)定性提出了更高的要求。高熵合金(HEA)具有高熵效應(yīng)、晶格畸變效應(yīng)、慢擴散效應(yīng)和雞尾酒效應(yīng)，展現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性和抗氧化性。然而，目前高熵合金納米結(jié)構(gòu)的制造受到現(xiàn)有微納制造技術(shù)的限制，如激光和電子束3D打印受制于微米級的粉體，無法加工高熵合金納米結(jié)構(gòu)；通過前驅(qū)體還原的3D打印技術(shù)難以適配高熵合金，聚焦離子束技術(shù)等納米切割僅限用于單一柱狀結(jié)構(gòu)的性能研究。總體而言，在納米尺度下具有靈活材料選擇和復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計的HEA創(chuàng)制方法尚處空白，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)性能的探究亦尚未開展探究。本研究成功將納米3D打印拓展至高熵合金領(lǐng)域。
 

　　創(chuàng)制了小于3-nm的高熵合金納米顆粒。通過“人工閃電”轟擊塊體材料表面，促使進而使其升華獲得混合蒸氣，在惰性氣體的超快速冷卻下共成核并形成高熵合金納米顆粒，即通過“氣–固”轉(zhuǎn)化的動力學(xué)路徑創(chuàng)制高熵合金納米顆粒。組分可通過母材以及激發(fā)“人工閃電”的電路參數(shù)進行精準(zhǔn)調(diào)配，可實現(xiàn)對任意元素組成高熵合金顆粒的高通量創(chuàng)制。
 

　　實現(xiàn)高熵合金納米顆粒的原位打印。  在“人工閃電”形成的等離子體氛圍下，部分HEA納米顆粒攜帶單電荷，并被氣流輸運至打印位置進行原位打印，由于顆粒尺寸極小(< 3-nm)，其在常溫常壓下將沿電力線軌跡運動。研究人員通過對電場進行設(shè)置，布設(shè)結(jié)構(gòu)生長所需的電力線，即可實現(xiàn)各種復(fù)雜三維高熵合金納米結(jié)構(gòu)陣列的快速打印。在電場控制下，高熵合金納米顆粒進行組裝的過程中不涉及高能物理變化和化學(xué)反應(yīng)，確保了所打印的高熵合金納米結(jié)構(gòu)及其納米顆粒構(gòu)建塊組分的一致性。熱穩(wěn)定性測試中，即使在高溫?zé)崽幚硐拢哽睾辖鸺{米結(jié)構(gòu)依然能夠保持結(jié)構(gòu)完整和組分均勻。在高于單質(zhì)金屬2倍熔點的情況下，所打印的高熵合金3D納米結(jié)構(gòu)也能保持結(jié)構(gòu)和組分的穩(wěn)定，未出現(xiàn)無偏析，這得益于緩慢擴散效應(yīng)。
 

圖2. 高熵合金納米結(jié)構(gòu)成分均勻性和熱穩(wěn)定性
 

圖3. 高熵合金納米結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能極其原位過程的動態(tài)記錄。
 

　　為了應(yīng)對微納器件對結(jié)構(gòu)堅固穩(wěn)定的需求，研究還針對HEA納米結(jié)構(gòu)進行了系列力學(xué)性能測試。該結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出極高的力學(xué)強度和韌性，其屈服強度優(yōu)于其他制造手段。尤其在HEA納米柱直徑不斷縮小的過程中，結(jié)構(gòu)的力學(xué)強度還在不斷增強。反復(fù)彎折納米柱，結(jié)構(gòu)仍能夠恢復(fù)如初，展現(xiàn)出卓越的韌性。為了更直觀展示其高強度與高韌性，團隊特別設(shè)計并打印出具有極細支腳的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過各種變形測試，細小支腳仍能支撐自身百倍大小的“身體”，且在彎曲過程中不斷裂。該技術(shù)制備的HEA納米結(jié)構(gòu)所展現(xiàn)的高熱穩(wěn)定性、高力學(xué)強度和良好韌性，為其在微納器件的應(yīng)用提供了可能性。
 

　　此外，研究人員還展示了一種操控“傀儡”高熵合金納米結(jié)構(gòu)的方法。通過聚焦離子束(FIB)對所打印的高熵合金納米結(jié)構(gòu)進行處理，可賦予其“運動本能”，這一成果為未來的微機器人的探究提供了新可能方向。
 

　　本工作為設(shè)計任意組分以及各種復(fù)雜三維構(gòu)型的高熵合金3D納米結(jié)構(gòu)提供了指導(dǎo)，推動了高熵合金在理論研究和實際應(yīng)用中。這項技術(shù)也有望為受制于現(xiàn)有制造手段而難以實現(xiàn)的微納器件帶來新的發(fā)展機會。高熵合金納米結(jié)構(gòu)還蘊含著眾多有趣且具有潛在應(yīng)用價值的特性，在未來的工作中，馮繼成課題組將繼續(xù)深入探究，集成力、熱、光、電、磁等性能開展探索，進一步拓展和加速高熵合金在微納器件領(lǐng)域的應(yīng)用。
 

　　上海科技大學(xué)物質(zhì)學(xué)院博士研究生劉仕榮、碩士研究生張躍奇和艾金貴為本文共同第一作者，通訊作者為馮繼成教授，上海科技大學(xué)為本項成果唯一完成單位。