【儀表網 研發快訊】近日，上海科技大學物質科學與技術學院馮繼成課題組成功開發出一種具有納米精度的高熵合金3D打印方法，為法拉第3D打印技術再添新篇。該方法開發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型，原位打印出組分可控、熱穩定性極佳和力學性能優異的復雜高熵合金3D納米結構，為高熵合金3D納米結構在諸如芯片等微納器件的應用提供了全新的可能性。相關研究成果以題為“3D-Printed High-Entropy Alloy Nanoarchitectures”發表于國際學術期刊Small。
圖1. 法拉第3D打印高熵合金納米結構及其優越性能總覽
納米器件逐漸向3D集成方向的發展，對材料空間自由度、機械性能、熱穩定性提出了更高的要求。高熵合金(HEA)具有高熵效應、晶格畸變效應、慢擴散效應和雞尾酒效應，展現出優異的力學性能、熱穩定性、耐腐蝕性和抗氧化性。然而，目前高熵合金納米結構的制造受到現有微納制造技術的限制，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構；通過前驅體還原的3D打印技術難以適配高熵合金，聚焦離子束技術等納米切割僅限用于單一柱狀結構的性能研究。總體而言，在納米尺度下具有靈活材料選擇和復雜結構設計的HEA創制方法尚處空白，對應的結構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域。
創制了小于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”轉化的動力學路徑創制高熵合金納米顆粒。組分可通過母材以及激發“人工閃電”的電路參數進行精準調配，可實現對任意元素組成高熵合金顆粒的高通量創制。
實現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置，布設結構生長所需的電力線，即可實現各種復雜三維高熵合金納米結構陣列的快速打印。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反應，確保了所打印的高熵合金納米結構及其納米顆粒構建塊組分的一致性。熱穩定性測試中，即使在高溫熱處理下，高熵合金納米結構依然能夠保持結構完整和組分均勻。在高于單質金屬2倍熔點的情況下，所打印的高熵合金3D納米結構也能保持結構和組分的穩定，未出現無偏析，這得益于緩慢擴散效應。
圖2. 高熵合金納米結構成分均勻性和熱穩定性
圖3. 高熵合金納米結構的力學性能極其原位過程的動態記錄。
為了應對微納器件對結構堅固穩定的需求，研究還針對HEA納米結構進行了系列力學性能測試。該結構展現出極高的力學強度和韌性，其屈服強度優于其他制造手段。尤其在HEA納米柱直徑不斷縮小的過程中，結構的力學強度還在不斷增強。反復彎折納米柱，結構仍能夠恢復如初，展現出卓越的韌性。為了更直觀展示其高強度與高韌性，團隊特別設計并打印出具有極細支腳的結構。經過各種變形測試，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。該技術制備的HEA納米結構所展現的高熱穩定性、高力學強度和良好韌性，為其在微納器件的應用提供了可能性。
此外，研究人員還展示了一種操控“傀儡”高熵合金納米結構的方法。通過聚焦離子束(FIB)對所打印的高熵合金納米結構進行處理，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。
本工作為設計任意組分以及各種復雜三維構型的高熵合金3D納米結構提供了指導，推動了高熵合金在理論研究和實際應用中。這項技術也有望為受制于現有制造手段而難以實現的微納器件帶來新的發展機會。高熵合金納米結構還蘊含著眾多有趣且具有潛在應用價值的特性，在未來的工作中，馮繼成課題組將繼續深入探究，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域的應用。
上海科技大學物質學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，上海科技大學為本項成果唯一完成單位。
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