Adv. Mater.：基于局部脈沖電沉積的微型3D打印技術制備納米孿晶銅

【引言】

納米孿晶(nt)金屬與粗晶和納米晶相比，具有更為優異的力學和電學性能。納米孿晶金屬具有獨特的微觀結構，其含有高密度的層狀納米孿晶由共格孿晶界(TB)所分開。TB的存在可以有效地阻礙位錯運動，因而nt金屬與其它納米晶相比具有更高的強度和更好的延展性。金屬材料的3D打印技術即增材制造(AM)對于制備nt金屬有著得天獨厚的優勢。近日，國外學者報道了用AM工藝制備nt金屬的新方法——局部脈沖電沉積(L-PED)。

【成果簡介】

近日，美國德克薩斯大學達拉斯分校Majid Minary-Jolandan (通訊作者)等人在Adv. Mater.上發布了一篇關于納米孿晶銅3D打印的文章，題為“Microscale 3D Printing of Nanotwinned Copper”。
作者通過基于局部脈沖電沉積(L-PED)的微型3D打印工藝，在室溫條件下制備出含有高密度共格孿晶界(TB)的納米孿晶銅(nt-Cu)。研究結果表明，制備出的nt-Cu完全致密，含有少量甚至不含雜質和缺陷，同時層與層之間沒有明顯的界面，具有非常優異的力學和電學性能。

【圖文導讀】

圖1 制備過程示意圖

(a) PED與傳統直接電沉積(DC-ED)分別制備出的nt-金屬和納米晶金屬；

(b) L-PED過程的原理示意圖;

(c) 噴嘴尖端和生長前沿之間的彎月面的側視圖；

(d-g) 3D打印金屬銅的SEM圖像；

圖2 3D打印出樣品的SEM和TEM圖像

(a) 3D打印出微柱的橫截面FIB離子通道對比圖像；

(b-c) 更高倍率的離子通道圖像;

(d) FIB橫截面疊層結構的SEM圖像；

(e) 高密度平行TB的橫截面的FIB離子通道圖像；

(f) (D)和(E)中樣品的明場TEM圖像；

(g) (F)中虛線區域內樣品單個顆粒的暗場TEM圖像。

圖3 樣品的高分辨率透射電鏡(HRTEM)圖像

(a) 孿晶界的HRTEM圖像；

(b) TB的HRTEM圖像;

(c) 雙點衍射圖案的TEM圖像；

(d) nt-Cu孿晶厚度直方圖；

(e) 3D打印的nt-Cu中僅僅觀察到少量堆垛層錯；

(f) 堆垛曾錯的TEM圖像。

圖4 階梯式多層結構的進一步研究

(a-b) 六層打印的銅結構的平面圖和橫截面FIB圖像；

(c-f) 每一層疊加在前一層上面，沒有明顯的中間層;

(g-h) (B)區域Cu和氧的EDS圖；

(i) 經PED和DC-ED工藝制備出八層打印銅的FIB橫截面圖像；

(j) 帶有重疊線的TEM圖像顯示了每層的大概位置。

【小結】

這篇文章介紹了基于局部脈沖電沉積來制備納米孿晶銅的微型3D打印工藝。3D打印出來的nt-Cu完全致密，含有少量甚至不含雜質和缺陷，同時層與層之間沒有明顯的界面，具有非常優異的力學和電學性能。L-PED工藝可實現逐層和復雜的三維微尺寸nt-Cu的直接打印，可用于制備超材料，傳感器，等離子體激元以及微/納機電系統。通過控制脈沖ED參數，L-PED工藝可以擴展到更復雜的3D體系結構，在打印期間可以原位控制雙層薄片厚度(λ)和雙密度，這種空間變化的微觀結構控制可以調節打印金屬的力學和電學性能。

文獻鏈接：Microscale 3D Printing of Nanotwinned Copper (Adv. Mater., 2017 , DOI: 10.1002/adma.201705107）

本文由材料人編輯部金屬學術組jcfxs01供稿，材料牛編輯整理。

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