理化所劉靜研究院：低熔點金屬多孔材料增材制造：性能、潛在應用與挑戰(zhàn)

來源：高分子科學前沿

多孔液態(tài)金屬作為一大類新興的獨特材料，正逐步在熱控能源、電磁屏蔽、生物醫(yī)學、柔性電子等領域嶄露頭角；與此同時，基于常溫液態(tài)金屬的增材制造技術近年來取得諸多突破，甚至在電子電路制造方面正規(guī)�；�進入市場，然而有關低熔點液態(tài)金屬多孔材料的增材制造仍處于孕育階段。不同于傳統高熔點金屬的是，低熔點液態(tài)金屬不僅易于實現內部多孔結構的快速構筑，而且在外場作用下還可對其3D多孔結構進行智能調節(jié)，這為4D多孔金屬材料的增材制造提供了新的物質基礎。



近日，中科院理化所液態(tài)金屬與低溫生物醫(yī)學研究中心劉靜研究員團隊在國際期刊《MaterialsToday》上發(fā)表了題為“Additive manufacture of low melting point metal porous materials: Capabilities, potential applications and challenges”的綜述文章，并被選為內封面故事。文章以低熔點液態(tài)金屬多孔材料的增材制造為主題，從材料制備、性能、潛在應用和未來挑戰(zhàn)等方面作了系統論述和展望，構畫了這一新興領域的學術概貌，可望促進增材制造、4D打印等方面材料和制造技術體系的繁榮。該工作得到國家自然科學重點基金（No. 91748206）、中國科學院前沿項目等的資助。


圖文解析

文章首先回顧了低熔點金屬的基本材料屬性，包括低熔點金屬的物化性質、電磁屏蔽性能、催化性能、柔性儲能、界面特性、生物安全性等；然后，結合目前主流的增材制造技術，從低熔點金屬粉末原材料制備及改性、不同的增材制造過程：Powder bed fusion, Directed energy deposition, Material extrusion, Hybrid3D printing techniques、低熔點金屬多孔材料后處理等方面，系統地分析了當前主流增材制造技術用于制備低熔點金屬多孔材料的可行性，并且概念性地提出了基于低熔點金屬多孔材料的增材制造技術；接著，定義了增材制造的低熔點金屬多孔材料的基本屬性，闡述了低熔點金屬多孔材料在能源熱管理、電磁屏蔽、催化、電池儲能、仿生、生物醫(yī)學等領域的潛在應用；最后，總結了低熔點金屬多孔材料增材制造技術面臨的挑戰(zhàn)。

（一）低熔點金屬的基本材料屬性

低熔點金屬常指熔點低于300 °C的金屬、合金及其金屬衍生物，由于合金組成元素的多晶相特征以及組分的差異從而具有不同的熔點。其中，以鎵基和鉍基為代表的低熔點金屬，在室溫或更高溫下呈現液態(tài)，具有沸點高、蒸氣壓低的特性，這使得此類金屬材料可在一個較為寬泛的溫度區(qū)間內仍保持液態(tài)。此外，低熔點金屬固有的導熱/導電性強、表面張力大，在室溫條件下便可實現固液相可逆轉變，且其制造工藝無需高溫冶煉、環(huán)保無毒，因而備受研究人員的青睞。



圖 1 低熔點金屬的典型物理性質

低熔點金屬上述屬性常賦予其獨特的功能特性，包括獨特的電磁屏蔽性能、催化性能、柔性儲能、界面特性以及生物安全性等。例如，基于低熔點液態(tài)金屬的流動性以及液體的表界面特性，液態(tài)金屬的系列非常規(guī)界面行為被相繼挖掘，如圖2所示為低熔點金屬的自驅動、心跳、胞吞效應、自生長、自愈合、變色、大尺度變形等仿生行為。



圖 2 基于液態(tài)金屬界面特性的仿生應用

在將低熔點金屬材料應用于不同領域時，應首先考慮材料的生物安全性。目前，低熔點金屬的生物安全性在諸多生物應用中均得到了明確的闡述，越來越多的證據表明了鎵基和鉍基低熔點金屬良好的生物相容性和低細胞毒性。圖3展示了近十年來低熔點金屬在生物醫(yī)學領域的典型工作。



圖 3 近十年來低熔點金屬在生物醫(yī)學領域的典型研究

（二）低熔點金屬多孔材料的增材制造

目前，低熔點金屬多孔材料的增材制造仍處于起步階段，相應的進展仍然較少。借鑒現有成熟的增材制造技術，文章以粉末床熔融技術為示例，首先規(guī)劃了低熔點金屬多孔材料的增材制造技術路線，如圖4所示。接著，討論了以金屬粉末/線材為原材料制備多孔金屬材料的粉末床熔融技術和定向能量沉積技術，以及以熔融金屬為原料制備多孔金屬材料的材料擠出成型增材制造技術，逐一明晰了目前主流的增材制造技術應用低熔點金屬多孔材料的可行性。圖5、6為復合增材制造技術制備的低熔點金屬陣列化結構。



圖 4 粉末床熔融技術制備低熔點金屬多孔材料的技術路線圖


圖 5 復合增材制造技術制備低熔點金屬點陣結構


圖6 液態(tài)金屬多孔結構可控制備

（三）低熔點金屬多孔材料的基本性能與潛在應用

低熔點金屬多孔材料，作為金屬材料一個新的分支，將低熔點金屬的基本屬性與多孔材料完美地結合在一起，有效提高了低熔點金屬材料的適應性。低熔點金屬多孔材料的基本特性主要表現在其自修復、柔性、可調控的金屬導電/導熱性、自生長、密度可調、可修飾的生物性能，這賦予低熔點金屬多孔材料多功能特性以及多元化的應用前景。低熔點金屬多孔材料有望在熱源熱管理、催化、電磁屏蔽、生物醫(yī)學應用、仿生和柔性電池儲能領域得到廣泛推廣與應用。圖7展示了由低熔點金屬多孔材料各種基本性能出發(fā)可望發(fā)展出的系列潛在應用。



圖 7 低熔點金屬多孔材料的基本性能與潛在應用

總結與展望

低熔點金屬在增材制造領域已展現出極大的應用優(yōu)勢，將現有的低熔點金屬材料研究與成熟的增材制造技術深度結合，亦或從中獲得足夠的靈感提出新型技術，將助力低熔點金屬多孔材料的增材制造技術的發(fā)展，同時促進多孔金屬材料體系和增材制造技術的繁榮。目前，低熔點金屬多孔材料的增材制造仍面臨如下挑戰(zhàn)：

（1）從材料角度講，應長期致力于對低熔點金屬固有屬性的提升與改善。如進一步提升低熔點金屬的導電/導熱性、生物相容性和機械性能等，這對拓寬低熔點金屬多孔材料的應用具有重要意義。此外，低熔點金屬熔點的連續(xù)調節(jié)較為困難，特定溫度范圍內無毒低熔點金屬的研究依然匱乏，未來迫切需要開展低熔點金屬的“材料基因組計劃”。

（2）從低熔點金屬粉末的制備與修飾講，現有的制備技術制得的低熔點金屬粉末，在粉末粒徑和尺寸均一性方面，與實際應用之間仍存在較大的差距。此外，為提升低熔點金屬多孔材料的適應性，低熔點金屬粉末應兼?zhèn)涠嘀胤�(wěn)定性，如耐酸、耐堿、耐腐蝕、抗氧化等。低熔點金屬粉末的復合制備、無氧化存儲以及低熔點金屬粉末的改性至關重要。

（3）鑒于材料的特殊性，低熔點金屬多孔材料的增材制造仍然面臨技術瓶頸，缺乏成體系的理論指導，低熔點金屬多孔材料增材制造的理論體系亟待建立。

（4）金屬/非金屬復合增材制造技術為液態(tài)低熔點金屬多孔材料的結構維持提供了新的解決方案，該技術除了需要考慮低熔點金屬與非金屬材料的操作溫度的差異，還應關注低熔點金屬與非金屬之間的材料相容性及其表面相互作用，尋找適宜的非金屬材料對低熔點金屬多孔材料的復合增材制造意義重大。

（5）對于4D低熔點金屬多孔材料的物性及性能表征，包括導電/導熱性、孔隙分布及其微觀形貌的實時檢測仍面臨巨大挑戰(zhàn)，開發(fā)適用于4D低熔點金屬多孔材料物性及性能實時表征技術仍任重而道遠。

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https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.03.019