Adv. Mater.：基于局部脉冲电沉积的微型3D打印技术制备纳米孪晶铜

【引言】

纳米孪晶(nt)金属与粗晶和纳米晶相比，具有更为优异的力学和电学性能。纳米孪晶金属具有独特的微观结构，其含有高密度的层状纳米孪晶由共格孪晶界(TB)所分开。TB的存在可以有效地阻碍位错运动，因而nt金属与其它纳米晶相比具有更高的强度和更好的延展性。金属材料的3D打印技术即增材制造(AM)对于制备nt金属有着得天独厚的优势。近日，国外学者报道了用AM工艺制备nt金属的新方法——局部脉冲电沉积(L-PED)。

【成果简介】

近日，美国德克萨斯大学达拉斯分校Majid Minary-Jolandan (通讯作者)等人在Adv. Mater.上发布了一篇关于纳米孪晶铜3D打印的文章，题为“Microscale 3D Printing of Nanotwinned Copper”。
作者通过基于局部脉冲电沉积(L-PED)的微型3D打印工艺，在室温条件下制备出含有高密度共格孪晶界(TB)的纳米孪晶铜(nt-Cu)。研究结果表明，制备出的nt-Cu完全致密，含有少量甚至不含杂质和缺陷，同时层与层之间没有明显的界面，具有非常优异的力学和电学性能。

【图文导读】

图1 制备过程示意图

(a) PED与传统直接电沉积(DC-ED)分别制备出的nt-金属和纳米晶金属；

(b) L-PED过程的原理示意图;

(c) 喷嘴尖端和生长前沿之间的弯月面的侧视图；

(d-g) 3D打印金属铜的SEM图像；

图2 3D打印出样品的SEM和TEM图像

(a) 3D打印出微柱的横截面FIB离子通道对比图像；

(b-c) 更高倍率的离子通道图像;

(d) FIB横截面叠层结构的SEM图像；

(e) 高密度平行TB的横截面的FIB离子通道图像；

(f) (D)和(E)中样品的明场TEM图像；

(g) (F)中虚线区域内样品单个颗粒的暗场TEM图像。

图3 样品的高分辨率透射电镜(HRTEM)图像

(a) 孪晶界的HRTEM图像；

(b) TB的HRTEM图像;

(c) 双点衍射图案的TEM图像；

(d) nt-Cu孪晶厚度直方图；

(e) 3D打印的nt-Cu中仅仅观察到少量堆垛层错；

(f) 堆垛曾错的TEM图像。

图4 阶梯式多层结构的进一步研究

(a-b) 六层打印的铜结构的平面图和横截面FIB图像；

(c-f) 每一层叠加在前一层上面，没有明显的中间层;

(g-h) (B)区域Cu和氧的EDS图；

(i) 经PED和DC-ED工艺制备出八层打印铜的FIB横截面图像；

(j) 带有重叠线的TEM图像显示了每层的大概位置。

【小结】

这篇文章介绍了基于局部脉冲电沉积来制备纳米孪晶铜的微型3D打印工艺。3D打印出来的nt-Cu完全致密，含有少量甚至不含杂质和缺陷，同时层与层之间没有明显的界面，具有非常优异的力学和电学性能。L-PED工艺可实现逐层和复杂的三维微尺寸nt-Cu的直接打印，可用于制备超材料，传感器，等离子体激元以及微/纳机电系统。通过控制脉冲ED参数，L-PED工艺可以扩展到更复杂的3D体系结构，在打印期间可以原位控制双层薄片厚度(λ)和双密度，这种空间变化的微观结构控制可以调节打印金属的力学和电学性能。

文献链接：Microscale 3D Printing of Nanotwinned Copper (Adv. Mater., 2017 , DOI: 10.1002/adma.201705107）

本文由材料人编辑部金属学术组jcfxs01供稿，材料牛编辑整理。

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