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3D打印微機械器件 助力微納力學(xué)表征

更新時間:2022-10-21點擊次數(shù):999


研究背景

隨著一維微納米材料(諸如金屬和半導(dǎo)體納米線,碳納米管,生物質(zhì)微纖維等)的應(yīng)用逐漸普及,人們對其機械性能和力學(xué)可靠性的充分了解變得越來越重要。盡管經(jīng)歷了數(shù)十年發(fā)展,迄今為止,在定量測試單個微納一維材料方面依舊極.具挑戰(zhàn)性。近年來,基于微機電系統(tǒng)(MEMS, microelectromechanical system)的微器件已成為在高分辨率電子顯微鏡或光學(xué)顯微鏡下定量測試一維微納米材料力學(xué)性質(zhì)的有效工具,然而,這些現(xiàn)有的基于MEMS工藝的力學(xué)測試器件大部分基于傳統(tǒng)的硅光刻微加工工藝,其制造過程復(fù)雜,研發(fā)周期長且驗證成本十分昂貴。


創(chuàng)新研究

近期,香港城市大學(xué)機械工程系陸洋教授課題組利用*的微納3D打印技術(shù),基于先前的設(shè)計(美國專.利#US8058613B2),研發(fā)并制造出可用于測試跨尺度的微納米線原位力學(xué)測試微機械器件(MMD, micro-mechanical device)。研究者們基于面投影微立體光刻的3D打印系統(tǒng)(BMFTM nanoArch P130)制作了一系列微米級的高精度樹脂基機械器件,其在外部力學(xué)測試儀(作為致動器和載荷傳感器)的輔助下實現(xiàn)了在電鏡和光鏡下的微納米線原位單軸拉伸測試。該研究工作發(fā)表于力學(xué)期刊Extreme Mechanics Letters。

總所周知,3D打印具有高度定制化的優(yōu)勢,該工作采用有限元法針對測試不同試樣的需要,設(shè)計和優(yōu)化不同器件材質(zhì)及工藝,并可批量并行制造多種不同器件以達到最佳測試性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在該論文中,直徑大小從納米級到微米級碳化硅納米線和鋯鈦酸鉛(PZT)微米線分別在定制打印的MMD上進行了測試,成功展現(xiàn)了該方案的可行性以及高效性。

最重要的是,相對于傳統(tǒng)的硅基器件試制和生產(chǎn),基于高精度3D打印的微機械器件甚至微機電器件具有顯著的低成本、易制造和高自由度等優(yōu)勢。并且,其客制化特性可極大豐富微納米力學(xué)測試平臺的本構(gòu)材料靈活性和幾何設(shè)計復(fù)雜性。對比于傳統(tǒng)硅基器件,基于樹脂材料的3D打印MMD能承受更大變形,使微觀下的大變形力學(xué)測試的研究亦成為可能。此外,相較于硅器件隨特征尺寸變大會變得更脆,3D打印樹脂基MMD的韌性,剛度和大小有更大的可調(diào)控空間,可用于定制測試各種微米和亞微米級材料樣品,例如生物原纖維、電紡聚合物纖維、微電子鍵合線等,極大地填.補.了目前介于納米級和宏觀高精度力學(xué)測試器械之間的一項空白。   

香港城市大學(xué)機械工程系博士生王月皎和現(xiàn)西安電子科技大學(xué)機電工程學(xué)院副教授高立波為本論文共同一作。本工作得到香港城大-西電微納制造聯(lián)合實驗室以及深圳市科技創(chuàng)新委基礎(chǔ)研究基金等項目的支持。


圖文速覽

圖1 高精度面投影微立體光刻3D打印系統(tǒng)及其打印的微機械器件MMD


 

圖2 實驗設(shè)置及有限元仿真優(yōu)化設(shè)計


圖3 碳化硅SiC納米線的原位SEM拉伸測試演示


來源:兩江科技評論