双光子聚合技术（Two-Photon Polymerization, TPP）是一种高精度的3D微纳加工技术，它通过精确控制微结构的加工来实现对材料的微纳尺度制造。双光子聚合技术能够精确控制微结构的加工，实现高精度、高分辨率的三维微纳结构制造，广泛应用于微光学、微流体、生物医学和微机电系统等领域。

近日，基于微型3D打印结构的机械超材料对细胞排列和迁移的影响是一个前沿的研究方向，中国科学院沈阳自动化研究所的于海波教授团队利用双光子聚合技术制造出具有周期性微结构的机械超材料，并以此为平台研究细胞在不同力学环境下的行为反应。他们的研究为生物医学领域开辟了新的研究方向，并证明了利用机械超材料研究细胞行为的可行性。借助MNTech微纳领航的分享，本期 与谷友共同领略关于3D打印这一前沿领域的突破。

▲论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202311951

基于微型3D打印结构的机械超材料对细胞排列和迁移的影响的研究，为生物医学领域提供了新的视角和工具，有望在组织工程、药物筛选、生物传感器等方面发挥重要作用。”

中国科学院沈阳自动化研究所的于海波教授团队在Small上发表了相关论文，他们利用先进的双光子聚合技术，制造出具有周期性微结构的机械超材料，并以此为平台研究细胞在不同力学环境下的行为反应，为生物医学领域开辟了新的研究方向。

细胞的行为和命运与其所处的微环境息息相关, 其中细胞外基质 (ECM) 的物理和化学特性发挥着至关重要的作用。ECM 的拓扑结构，特别是其机械特性，如刚度和泊松比, 深刻影响着细胞的粘附、增殖、分化和迁移。为了更好地理解细胞与 ECM 之间的复杂相互作用, 科学家们一直在努力开发能够精确模拟细胞微环境的体外模型, 例如微图案化表面、微流控装置和3D支架等。近年来, 机械超材料以其独特的力学性能和可定制的结构设计, 逐渐成为构建体外模型的新兴平台, 为细胞力学研究提供了强大的工具。

然而，构建能够精确模拟 ECM 机械特性的机械超材料并非易事。首先，制造具有精确可控微观结构的超材料需要高精度和高分辨率的加工技术。传统的制造方法，如光刻和软光刻，在制造复杂的三维结构方面存在局限性，难以满足研究需求。其次，机械超材料需要精确模拟 ECM 的力学性能，如刚度和泊松比，才能准确地模拟细胞的微环境。这对于材料的选择和结构设计提出了很高的要求。此外，细胞与机械超材料之间的相互作用是一个复杂的过程，受多种因素影响，包括材料的表面特性、力学性能和拓扑结构等，需要进行系统深入的研究。

为了克服这些挑战，教授团队采用双光子聚合技术来制造具有周期性微结构的机械超材料。他们在配备了油浸物镜 (63×, NA = 1.4) 的Nanoscribe Photonic Professional GT直接激光写入设备上，以IP-Dip光刻胶为材料，实现了高精度和高分辨率的 3D 打印，从而可以精确控制微结构的几何形状和尺寸。研究人员巧妙地设计了两种不同的微结构：拉胀结构和 Auxetic 结构。拉胀结构在拉伸时会横向膨胀，而 Auxetic 结构在拉伸时会横向收缩。这两种结构具有不同的泊松比，可以模拟不同类型的 ECM，为研究细胞在不同力学环境下的行为反应提供了理想的平台。

为了探究这些机械超材料对细胞行为的影响，研究人员将人骨髓间充质干细胞 (hMSCs) 培养在这些超材料上，并仔细观察和分析了细胞的排列和迁移行为。实验结果表明，hMSCs 在拉胀结构上表现出明显的排列现象，细胞沿着拉胀结构的方向排列生长，而在 Auxetic 结构上则没有观察到明显的排列现象。这说明细胞能够感知并响应不同机械超材料的力学特性，并调整自身的形态和行为。更进一步的研究发现，拉胀结构可以促进 hMSCs 的迁移，这可能是由于拉胀结构产生的应力梯度引导了细胞的迁移方向。

这项研究成果不仅证明了利用机械超材料研究细胞行为的可行性，也为开发新的体外模型和组织工程支架提供了新的思路。通过精确控制微结构的几何形状和尺寸，可以调节机械超材料的力学性能，从而影响细胞的排列和迁移等行为。未来，研究人员可以设计和制造更复杂的机械超材料，例如模拟体内组织结构的多层级结构，以更真实地模拟 ECM 环境。此外，还可以将生物活性分子或药物结合到机械超材料中，以进一步调控细胞行为，例如促进细胞分化或抑制细胞凋亡等。

当然，这项研究也存在一些局限性。例如，目前的研究主要集中在细胞的排列和迁移行为，未来还需要进一步研究机械超材料对细胞增殖、分化等行为的影响。此外，还需要进行体内研究来验证机械超材料在组织再生和修复方面的应用潜力。

这项研究，为利用机械超材料研究细胞行为开辟了新的途径，并为开发新的生物医学应用提供了重要的启示。相信随着研究的深入，机械超材料将在生物医学领域发挥越来越重要的作用。

来源
MNTech微纳领航 l

基于微型3D打印结构的机械超材料对细胞排列和迁移的影响

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生物可降解金属因其在减少植入物的炎症感染、二次修复手术方面的独特优势而受到广泛关注。特别是锌（Zn）基合金，由于其良好的生物相容性和适宜的降解速率，在生物可降解金属领域具有广阔的研究和应用前景。然而，纯锌的机械强度不足，无法满足人体大部分承重部位的需求，因此需要通过合金化等方法提高其性能。

近日，中南大学粉末冶金国家重点实验室的吴宏等学者通过激光粉末床熔融（L-PBF）增材制造方法制备了纯Zn和Zn-2Cu合金样品，研究了它们的组织演变、机械性能与腐蚀机理。研究发现，与纯Zn相比，Zn-2Cu合金的极限抗拉强度（UTS）得到了显著提高，但随着激光能量密度的增加，非合金Zn和Zn-2Cu的UTS和延展性降低。Zn-2Cu合金表现出更高的腐蚀速率，这有助于解决非合金Zn降解缓慢的问题。此外，Zn-2Cu样品的100%提取物在体外表现出良好的细胞相容性和低毒性，显著提高了细胞活力。借助医用金属与增材制造前沿的分享，本期 与谷友共同领略关于3D打印在可生物降解Zn-Cu合金领域领域的研究发现。

▲论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.10.052

通过合金化和增材制造技术，可以设计和调节生物可降解锌合金以满足临床需求，展现出巨大的潜力和应用前景。Zn-2Cu合金在降解过程中释放的金属活性离子能够促进骨再生和骨整合，这对于骨折愈合和骨缺损修复非常重要。Zn-2Cu合金因其优异的机械性能、良好的生物相容性和可控的降解速率，展现出作为人体植入物的潜力，特别是在骨科和心血管领域。随着研究的深入，Zn-2Cu合金有望成为下一代生物可降解植入物的理想材料。”

生物可降解金属由于其在减少植入物的炎症感染、二次修复手术方面的独特优势而受到人们的广泛关注。不仅如此，它在降解过程中释放的金属活性离子也能够促进骨再生和骨整合。Zn具有良好的生物相容性和适宜的降解速率，在生物可降解金属领域有广泛的研究前景。然而，纯Zn缺乏机械强度，不足以应用于人体大部分的承重部位，需要通过其他方法如合金化来有效提高其性能。

最近，来自中南大学粉末冶金国家重点实验室的吴宏等学者应用增材制造方法制备纯Zn与合金化Zn-2Cu样品，研究了其组织演变、机械性能与腐蚀机理。相关成果以“Microstructural evolution, mechanical properties and corrosion mechanisms of additively manufactured biodegradable Zn-Cu alloys”为题发表在《Journal of Materials Science & Technology》上。

 研究要点

1、研究人员使用激光粉末床熔融方法制备了块状和拉伸样品，其中原材料是采购的纯Zn和合金化Zn-2Cu（wt.%）粉末。粉末粒度饱满，并且有少量附着了卫星粉末，纯Zn粉末的D50为22.5μm, Zn- 2Cu粉末的D50为23.1μm。加工前，粉末在真空条件下80℃加热2 h干燥。干燥后，筛出粒度不合格的粉体。

图1 (a, b)粉末形态的二次电子图像，(c, d)粉末粒度分布

2、纯Zn的密度随Ev的增大而减小，而Zn-2Cu的密度随Ev的增大变化不明显。相比之下，纯Zn的显微硬度在58 HV时基本稳定，与Ev无关，而Zn- 2Cu的显微硬度随着Ev的增加从112 HV逐渐降低到75 HV。随着输入功率的提高，样品表面的缺陷由圆孔变为含有大量未熔合粉末的破碎的团块，微观组织也逐渐变得不均匀，样品中Cu的含量也有一定的降低。

图2 (a)纯Zn和Zn- 2Cu的密度和(b)显微硬度与Ev的关系

图3 (a-c)纯Zn样品和(d-f) Zn- 2Cu样品在不同功率下的表面二次电子图像

图4 (a-c)纯Zn和(d-f) Zn- 2Cu在高倍镜下的二次电子图像。ZC7、ZC8和ZC9样品中Zn和Cu的能谱图，是测量到的Zn-Cu组分

3、XRD结果表明，样品中只存在ε相(CuZn4)和Zn基体。Z7和ZC7样品的组织都由等轴晶组成且均为随机取向，相对来说ZC7的晶粒明显更细，而Z7在(0001)方向的织构上也更强，织构强度分别为10.21和8.10。与此同时，ZC7的施密特因子分布也优于Z7，在ε相和Zn基体的界面处存在大量T字形的位错。

图5 L-PBF纯Zn和Zn- 2Cu合金的XRD结果

图6 Z7和ZC7的(a)反极图，(b)极图

图7 (a, b) Z7和ZC7的晶界、晶粒尺寸分布、晶界取向偏差角分布图像，(c, d) Z7和ZC7的施密特因子图和施密特因子(0-0.5)分布图

图8 (a) ZC7中ε-CuZn4析出物的TEM亮场(BF)图像；(b) Zn和Zn基体中ε-CuZn4析出相的衍射图显示出[0001]Zn // [2-1-10]ε-CuZn4取向关系；(c) ε-CuZn4与Zn基体界面形貌的高分辨率TEM图像

4、ZC7的UTS高于其他5组样品，纯Zn和Zn- 2Cu的强度均随Ev的增加而降低，并且Zn- 2Cu断口表面的韧窝逐渐减少、变浅，出现解理面；纯Zn属于韧脆混合断裂机制，未熔粉较多，熔合较差。合金化后材料的耐蚀性降低，且耐蚀性随P的增大而增大。所有样品初期腐蚀速率较高，随后趋于稳定，基本上属于均匀腐蚀。

图9 L-PBF纯Zn和Zn- 2Cu合金的应力-应变曲线及断口形貌

图10 L-PBF Zn/Zn- 2Cu试样在SBF中的腐蚀行为:(a) OCP曲线;(b)动电位极化(PDP)曲线;(c)奈奎斯特图;(d) |Z|与频率的波德图，(e)相角图，(f)等效电路

图11 通过28天浸泡试验测量L-PBF纯Zn和Zn- 2Cu试样的腐蚀行为:(a)样品腐蚀产物的XRD图谱，(b) Zn2+浓度与浸泡时间的关系，(c) pH与浸泡时间的关系，(d)由失重与浸泡时间确定的腐蚀速率，(e, f)降解产物的FTIR分析

5、纯Zn提取物在MC3T3细胞上的细胞活力较低。然而，Zn-2Cu提取物在体外表现出良好的细胞相容性和低毒性，显著提高了细胞活力，但当Cu2+离子浓度过高时，细胞生长被抑制。在Zn基体中析出的高自腐蚀电位的ε-相(CuZn4)会形成微电池优先腐蚀，从而加速Zn-2Cu的腐蚀过程，并且细晶粒在非钝化环境中也会降低材料的耐腐蚀性。

图12 纯Zn和Zn- 2Cu提取物(100%浓度)培养MC3T3细胞1、3和5 d后的细胞活力(与空白对照比较，∗p < 0.05和∗∗p < 0.01)

图13 (a)纯Zn和Zn- 2Cu的腐蚀层示意图;(b)非钝化环境下Z7和ZC7的腐蚀行为随晶粒尺寸的变化规律

总结：
本研究通过L-PBF打印得到了具有合理抗拉强度和良好腐蚀性能的Zn-2Cu合金。其中Zn的加入使得材料晶粒得到细化，并且析出了第二相，均有利于提高材料的力学性能。而Zn-2Cu的腐蚀速率和生物相容性都明显优于纯Zn，证明了利用AM技术设计和调节生物可降解锌合金以满足临床需求的巨大潜力。

Citation
Liu J, Wang D, Liu B, et al. Microstructural evolution, mechanical properties and corrosion mechanisms of additively manufactured biodegradable Zn-Cu alloys[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2024, 186: 142-157.

来源
医用金属与增材制造前沿 l

J Mater Sci Technol：增材制备可生物降解Zn-Cu合金的组织演变、机械性能及腐蚀机理

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以下文章来源于Advanced Powder Materials ，作者APM

根据Advanced Powder Materials，中南大学开发了一种具有丰富的C=N基团的新型氧化还原活性聚合物材料—聚(1,5-二氨基萘)，用于质子存储，并通过3D打印技术构建了厚度可调的三维架构电极。这种基于3D打印聚合物电极的质子赝电容器在–60°C下展现出0.44 mWh cm⁻²的高能量密度和卓越的循环稳定性。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

▲文章题目：3D-printed redox-active polymer electrode with high-mass loading for ultra-low temperature proton pseudocapacitor
第一作者：张苗然
通信作者：申来法

发现
3D Science Valley Discovery

中南大学的这项研究展示了通过结合有机材料设计和高质量负载电极结构优化，可以开发出在极端低温条件下也能稳定运行的超级电容器，这对于在极端环境下的应用具有重要意义。这种新型材料和制造方法的结合为开发高性能、耐低温的超级电容器提供了新的可能性。

Insights that make better life

 01 摘要

在低温下稳定运行的超级电容器对于极端环境中的应用至关重要。不幸的是，传统的无机电极材料在质子赝电容器中存在扩散动力学缓慢和循环稳定性差的问题。在这里，开发并合成了一种氧化还原活性聚合物聚(1,5-二氨基萘)，作为一种超快、高负载量且耐用的赝电容负极。聚(1,5-二氨基萘)的电荷存储依赖于C=N与H⁺的结合，这使得与表面控制反应相关的快速动力学成为可能。采用3D打印技术制造的3D结构有机电极实现了高的面积比电容（在30.78 mg cm⁻²时为8.43 F cm⁻²）和与厚度无关的倍率性能。此外，3D打印的质子赝电容器在–60°C下展现出极高的低温耐受性，能量密度高达0.44 mWh cm⁻²。

 02 研究背景

作为最有前景的储能系统之一，电化学超级电容器因其安全性、低成本、环境友好性和高功率密度而得到了广泛应用。非金属离子-质子（H⁺）具有较小的离子半径、较低的摩尔质量和较高的离子电导率，可以显著提高超级电容器的反应动力学。另外，与传统无机材料相比，赝电容活性有机材料可以通过表面活性位点与H⁺之间的表面配位反应存储H⁺，而不是缓慢的体相扩散，显示出在低温下快速电荷转移的巨大潜力。

在实际应用中，实现具有更快充放电速率和延长寿命的高负载量电极具有重要意义，但在以前的研究中长期被忽视。直接墨水书写（DIW）3D打印技术提供了一种高效的手段，可以在三维空间中制造高质量负载的3D结构电极，这种3D结构可以在增大活性物质质量负载的同时保持高的离子可及性，有助于提高面积能量密度和长循环寿命。然而，关于使用3D打印技术制造高质量负载的有机材料基电极以构建超低温度质子赝电容器的相关研究还鲜有报道。
本文采用化学氧化聚合法合成了一种具有π共轭结构的聚（1,5-萘二胺），并利用3D打印技术构建了具有高导电性和坚固结构的3D 打印PDAN基复合电极（PDAN/CNT/rGO）。通过理论计算和非原位光谱表征，揭示了PDAN中的C=N键可与H+结合。采用材料设计和电极结构优化的协同策略来增强电荷传输和反应动力学，以实现高效的电荷存储。结果表明，3D打印质子赝电容器的可在－60℃下稳定运行。

 03 创新点

1. 采用化学氧化聚合方法制备了一种聚（1,5-萘二胺）（PDAN）颗粒，用于质子存储。理论计算和非原位光谱表征揭示了PDAN的电荷存储依赖于C=N与H⁺的可逆配位反应。
2. 由于PDAN丰富的暴露活性位点和快速电子/离子传输的3D通道，高质量负载的3D打印PDAN基电极（30.78 mg cm⁻²）表现出优异的倍率性能（在100 mA cm⁻²时为3.95 F cm⁻²）。
3. 基于有机电极的3D打印质子赝电容器展现出极佳的优异的耐低温性能，在－60°C提供高达0.44 mWh cm⁻²的能量密度。

 04 文章概述

1. 材料的理论计算和结构表征

聚（1,5-二氨基萘）（PDAN）具有氨基芳烃结构单元，因其独特的π共轭结构，表现出了潜在的高效质子存储能力。PDAN的分子静电势（MESP）图像显示带负电荷的中心集中在C=N基团上，表明在放电过程中C=N键容易吸引质子。在DFT计算的基础上，对PDAN其化学结构表征，证明了PDAN的成功合成。

▲图1 以三聚体为代表计算的PDAN分子(a)静电势图像和 (b) LUMO-HOMO图。(c) H⁺存储过程中吉布斯自由能变化。(d)分子的吸附能和电荷密度。样品的(e) XRD图谱， (f) FTIR图谱 和 (g) 热重分析曲线。

2. 3D打印电极的制备和墨水的流变性能
为了能够成功地进行3D打印，将墨水连续稳定地从喷嘴中挤出，分析了墨水的流变特性。墨水直写3D打印技术可以很容易地在PET薄膜上制造各种定制图案，展示了其通用性和可扩展性。

3. 3D打印PDAN/CNT/rGO电极的电荷存储机制

3D打印PDAN/CNT/rGO电极的SEM图像显示三维分层多孔结构电极由紧密堆叠排列的PDAN/CNT/rGO复合细丝组成。通过一系列非原位表征深入探究了电极在充放电过程中的结构和组成演变，证实了PDAN电极C=N和C–N键的可逆转化。

▲图3 (a) 3D打印PDAN/CNT/rGO电极的俯视SEM图像。(b, c) PDAN/CNT/rGO的SEM图像和相应的EDS元素分布图。(d) 非原位FTIR谱图。(e) 非原位XPS谱图。(f) 电荷存储机制的示意图。

4. 3D打印电极的电化学性能研究

在2 mA cm−2的电流密度下，不同层数的3D打印PDAN/CNT/rGO电极均展现出高体积比电容和与电极厚度无关的电化学特性。同时，在30.82 mg cm−2的高质量负载下，3D打印的PDAN/CNT/rGO的面电容可达到8.43 F cm−2，显著优于其他报道的高质量负载电极。

▲图4 传统方法制备的PDAN/CNT/rGO和3D打印的PDAN/CNT/rGO电极 (a) 在扫描速率为8 mV s−1时的循环伏安（CV）曲线，以及 (b)不同电流密度下的面积比电容。(c) 3DP PDAN/CNT/rGO电极在2 mA cm−2时的面积和体积电容。(d) 3DP PDAN/CNT/rGO的CV曲线。(e) 氧化还原峰的峰电流和扫描速率的幂律关系。(f) 在不同扫描速率下电容和扩散控制电容的贡献比率。(g) 3DP PDAN/CNT/rGO与其他报道的厚电极在面积电容和质量负载方面的比较。

5. 3D打印质子赝电容器的低温性能

将3DP PDAN/CNT/rGO电极作为负极，3DP PBA/CNT/rGO电极作为正极， 9.5 M H3PO4作为电解液组装了3D打印质子赝电容器。3D打印的质子赝电容器在−60°C下可以保持其在室温下比电容的74.01%，这表明该3D结构的电容器具有优异的低温性能，能够在极端低温条件下维持良好的电荷存储能力。另外，该电容器在−60℃下仍具有高达0.44 mWh cm−2的能量密度和7.52 mW cm−2的高功率密度。

▲图5 (a) 3D打印PDAN//PBA质子赝电容器的示意图。(b) 3D打印PDAN和PBA复合电极的CV曲线。(c) 3D打印质子赝电容器的电化学阻抗谱。(d)倍率性能。(e) 3D打印质子赝电容器在不同温度下的GCD曲线。(f) 在−60°C下5 mA cm⁻²的循环性能。(g) 3D打印质子赝电容器与其他最先进的超级电容器的面积功率和能量密度的比较。

 05 启示

这项工作发展了一种有机聚合物聚（1,5-萘二胺），并将其用于质子存储。通过DFT计算和非原位光谱分析，揭示了PDAN中的C=N与H⁺之间发生的氧化还原反应。具有互连开放结构的3DP PDAN/CNT/rGO电极协同了新型有机聚合物PDAN的高电容特性、碳纳米管的导电性和rGO的高比表面积，即使在30.78 mg cm−2的高质量负载下也能实现8.43 F cm−2的面电容。此外，3D打印的质子赝电容器在−60℃下可以提供高达0.44 mWh cm−2的能量密度。这项工作表明，将有机材料设计与高质量负载电极结构优化相结合，可以为耐低温超级电容器的构建提供了可行的方案。

来源
Advanced Powder Materials l

3D打印高负载聚(1,5-二氨基萘)电极用于低温质子赝电容器

Advanced Powder Materials（APM）：

Advanced Powder Materials（APM）是由中南大学主办，粉末冶金国家重点实验室和粉末冶金国家工程研究中心承办的学术类期刊。致力于发表粉体材料领域及其交叉学科具有原创性和重要性的最新研究成果。目前APM已被ESCI、EI、Scopus、CAS等国际著名数据库收录。

2024年6月获得第一个影响因子28.6，在全球材料学科的438本期刊中排名第10，位居Q1区。2023年的CiteScore为33.3，在全球材料科学——金属与合金学科的176本期刊中排名第一；在全球材料科学——陶瓷与复合材料学科的127本期刊中排名第2；在全球材料科学综合类的196本期刊中排名第4。

APM建立了驻欧洲、澳洲、日本等四个海外编辑部，负责驻地的邀稿、审稿、宣传等期刊工作。

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塑料3D打印能够制造传统制造技术难以或无法生产的复杂几何形状，可以设计并打印出复杂的内部结构，如晶格结构，以减轻重量并提高材料效率。

随着塑料3D打印材料和工艺的研究进展，国内的近期研究涵盖了不同材料的力学性能、改性研究、以及特定3D打印技术的应用。这些研究展示了3D打印技术在材料科学、工艺优化和应用开发方面的多样性和潜力。通过改进材料性能、优化打印工艺和开发新的应用，3D打印技术正不断推动制造业的创新。

本期，通过节选近期国内在塑料3D打印方面的实践与研究的多个闪光点， 与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

“选择适合3D打印的高性能塑料材料时，需要考虑多个因素，包括打印工艺的兼容性、最终部件的应用需求、机械性能要求、耐温性、耐化学性、加工成本等，而这些因素正是塑料3D打印发展道路上不断获得突破的技术挑战所在。”

 基于热处理的选区激光烧结
     PA12力学性能调控研究

韩壮1李猛2,3曾勇1陈继民1刘秀斌2,3

1.北京工业大学物理与光电工程学院2.中国航天员科研训练中心3.人因工程全国重点实验室

摘要：

为解决选区激光烧结技术在聚酰胺12 (PA12)材料成形时机械性能较差的问题，自主研制了一种均热-速冷装置。旨在通过改善材料内部的组织缺陷，使其达到材料本征机械性能。经过热处理后的样品常温下性能得到了极大改善，其最大拉伸强度为（57.6±1.9） MPa，断裂伸长率介于293%至297%之间。此外，该材料在高、低温环境中依然保持了良好的拉伸性能，在-80℃时的拉伸强度最高达110.5 MPa，断裂伸长率为22%至25%;+80℃时的拉伸强度则为（53.1±3.3） MPa，断裂伸长率最高达578.6%。经过热处理的具有三周期极小曲面结构样品，在弹性阶段的承载能力均有所提升，增幅最高达19%。其中，热处理后的D型TPMS表现出色，其弹性阶段的最大承载力达7.3 kN，且具有出色的能量吸收性能。

 增材制造在量产车
     内饰件中的应用与效果分析

李浩源、孔苗德、王思倩、王禹剀

吉利汽车研究院(宁波)有限公司

摘要：

随着汽车工业对制造效率和产品个性化需求的提升，增材制造技术（3D打印）已成为研究热点。本文探讨了增材制造技术在量产车内饰件制造中的应用，并分析了其在实际生产中的效果。同时指出了该技术在材料成本、生产速度和规模化生产等方面面临的挑战，并对未来发展趋势进行了预测。研究结果表明，增材制造技术在汽车内饰件制造领域具有广阔的应用前景。

 FDM增材制造BST/PVDF-ABS
     复合材料的正交实验研究

彭铭宇、刘书航、魏子尧、冯晓颖、卢铭鑫、李岱恒、许杰、高峰

西北工业大学材料学院凝固技术国家重点实验室

摘要：

钛酸锶钡（BST）/聚偏氟乙烯（PVDF）基功能复合材料因其出色的介电可调性和机械加工特性而引起了学者的广泛关注。然而通过传统工艺制备BST/PVDF复合材料难以成型复杂形状，极大限制了其应用。本文采用熔融沉积增材制造工艺（FDM）制备BST/PVDF-丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物（ABS）复合材料，通过正交实验设计探究工艺参数对材料体积变化率、密度、介电性能和力学性能的影响，结果表明打印温度高于240℃后，尺寸稳定性变差，相对密度减小，工艺参数的重要度依次：打印温度＞平台温度＞打印速度，当打印温度为240℃、平台温度为100℃、打印速度为30 mm/s时，BST/PVDF-ABS复合材料具有最佳介电性能和力学性能，其介电常数为11.20，介电损耗为0.0138，抗拉强度为35.03 MPa。本文阐明了打印参数对介电性能的影响机理，丰富了陶瓷/聚合物功能复合材料的制备工艺技术，为设计和制备结构-功能一体化器件提供了技术基础。

 熔融沉积3D打印参数对PETG-Tough
     薄壁不同角度尺寸精度的影响

林文先1周功苗1叶总一2刘文文3陈洁3朱德华1曹宇3

1.温州大学瑞安研究生院2. 浙江起迪科技有限公司3. 温州大学机电工程学院

摘要：

以熔融沉积成型(FDM)3D打印的聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯薄壁制件的不同倾角度数的尺寸精度作为研究对象设计正交试验，研究层高、挤出温度、回抽距离对FDM 3D打印不同倾角度数尺寸精度的影响，并使用极差分析与方差分析对结果数据进行处理，得到最优的参数组合。

结果表明，挤出温度与回抽距离的变化对尺寸误差的影响很小，层高对不同倾角的影响规律不同：对25°、30°倾角，尺寸误差呈先降低后增大的趋势；对35°倾角，尺寸误差呈先略微增大后降低的趋势；对40°及以上的倾角，尺寸误差呈增大趋势。最后通过试验结果分析了单因素不同水平对不同倾角尺寸精度的影响，得出挤出压力、悬垂距离、材料黏度和走线方式是产生尺寸误差的主要原因。

 套筒接杆护套小总成
     3D打印工艺的研究

谢嘉诚1杨海威2

1.同济大学汽车学院2. 上汽通用汽车有限公司整车制造工程部

摘要：

动力工具通常带有套筒和接杆，为避免操作工在紧固操作过程中直接接触旋转的套筒和接杆，设计了既安全又便于安装的热塑性聚氨酯(TPU)套筒接杆护套小总成。针对套筒接杆护套小总成，运用SolidWorks和Teamcenter软件进行3D建模与整车环境虚拟评估；利用3D打印技术制备TPU试样，通过正交试验方法分析打印工艺参数对试样硬度和拉伸性能的影响，得到了较为理想的套筒接杆护套小总成3D打印工艺参数组合：打印层高0.2 mm，壁厚1.2 mm，打印温度220℃，打印速度35 mm·s-1。在该优化工艺条件下打印的套筒接杆护套小总成满足使用要求。

 DM 3D打印用
     ABS材料研究进展

王晓1,2李攀1,2张永超1,2陈荣1郭言朝1周勇1毕晓妹1王浩然1刘娟1

1.中国重汽集团济南动力有限公司2. 西安增材制造国家研究院有限公司

摘要：

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)作为一种综合性能良好的工程塑料，已经成为熔融沉积成型(FDM)3D打印工艺的主要原材料。但其打印件翘曲变形较大，且力学性能较差，限制了FDM在工业领域的应用。目前，已经有相关研究人员开展FDM工艺的改性ABS材料研究，并取得了一定进展。本课题针对FDM3D打印改性ABS材料的研究进展进行了综述，包括无机填料改性ABS、塑料合金改性ABS、纤维改性ABS以及纳米材料改性ABS。并对FDM 3D打印用ABS材料未来的研究和发展方向进行了展望。

 3D打印聚乳酸的
     改性研究与应用进展

郑思铭1李蔚1杨函瑞1陈松2魏取福1

1.江南大学纺织科学与工程学院2. 江苏苏丝丝绸股份有限公司

摘要：

聚乳酸(PLA)是一种生物可降解热塑性聚酯，是极有前景的生物基可降解材料之一。PLA具有优异的力学性能、良好的可塑性及生物相容性，是理想的3D打印材料。3D打印PLA材料在多个领域尤其是医用方面有巨大的潜力。然而，PLA固有的脆性和较差的耐热、耐水解性限制了它的应用范围。近年来，学者对3D打印PLA的改性进行了大量研究。

本课题归纳了3D打印PLA的研究进展，分别从共混改性、复合改性、立构复合、涂层法和化学改性这几方面讨论了提高材料性能的原理与方法，并对相关性能进行了分析对比。共混法虽然简单易操作，但不利于材料的均匀化，且有时改性效果不够明显。复合改性向PLA中加入碳基添加剂、金属添加剂、植物纤维等填料，改性同时可赋予3D打印PLA更多功能，但易出现界面不相容等问题。

此外，还有立构复合、涂层法、化学改性等新方法具有重要的研究价值。

在此基础上，结合目前3D打印PLA在实际应用中的发展情况，分析了3D打印PLA仍存在的问题，对3D打印PLA未来的研究方向进行了展望。

 FDM全彩3D打印的
     色彩调控方法研究

张帆、谢双楠、许亚婷、崔坤腾

武汉理工大学机电工程学院

摘要：

传统熔融沉积（FDM）3D打印工艺由于材料的单一性，无法按需成型彩色模型。现有“三进一出”的FDM混色机构，由于色域空间的不同、原材料的色彩偏差及混色机构的差异性采用直接三基色混色方式导致实际打印色彩与理论色彩间存在较大偏差。针对这一问题，基于FDM三基色混色喷头，通过色域空间转换建立色彩与FDM打印工艺间的关系；通过打印实验对转换模型进行线性拟合修正，进而建立面向FDM全彩3D打印的色彩配置库，通过模型颜色与库中颜色的匹配，实现三维模型设计色彩到打印色彩的精确转换。

 3D打印PETG的
     工艺、改性及应用研究进展

尚祖明、胡成女

康辉新材料科技有限公司

摘要：

聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4环己烷二甲醇酯（PETG）由于其优异的性能，可作为一种优选的3D打印高分子材料，备受学者们的青睐。文章对PETG的打印工艺进行了研究，发现打印方向、打印厚度、打印温度、打印速度和填充密度等工艺参数都会对产品的性能产生显著影响，采用纤维、聚合物和石墨烯等共混改性方法对3D打印PETG材料进行改性研究可改善材料的耐疲劳性能、力学性能和热性能等。本课题还对3D打印PETG在生物医学、机械加工和海洋等领域的应用研究以及再生利用的可行性研究进行了详细的综述。最后，文章对未来3D打印PETG的发展前景进行预测，期望能够为3D打印PETG材料的工业化应用提供指导。

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以下文章来源于nanomicroletters ，作者纳微快报

近日，苏州大学利用压电-电化学或铁电-电化学耦合增强机制，通过增材制造技术制备非对称织构膜电极，为锂离子电池材料的开发提供了新的思路和方法。黑磷烯/MXene异质结复合膜电极在半电池和全电池体系中都表现出良好的循环稳定性和电化学性能，有望应用于高比能快充与低温快充电池。此外，自支撑电活性纳米压电复合织构膜有助于柔性可穿戴储能器件与自供电智能换能器传感器系统的集成发展。借助纳微快报的分享，本期 与谷友共同领略关于3D打印在高能量密度器件领域的突破。

“在电化学储能领域，3D打印技术的应用正在迅速发展，尤其是在制造具有高面积和体积能量密度的能源存储设备方面。传统的碳基超级电容器虽然具有高功率密度和良好的安全稳定性，但它们的工作电压较低，限制了能量密度的提高。为了克服这些限制，研究人员正在探索使用3D打印技术来制造新型的电极结构。”

发现
3D Science Valley Discovery

关键点：

研究中的新型黑磷烯/MXene异质结构复合膜电极是通过极性尿素分子胶水界面辅助自组装及增材制造技术制备的，具有优异的电化学性能，特别是在锂离子电池中的应用潜力。研究的重点在于提高电极材料的电化学稳定性和动力学，这对于开发高比能、高功率和在极端温度下也能稳定工作的锂离子电池至关重要。这项研究不仅为锂离子电池材料的开发提供了新的思路和方法，而且对于高比能快充与低温快充电池的应用提供了可能的解决方案。

Insights that make better life

 研究背景

得益于其优异的理论比容量(2596 mAh g⁻¹)、电导率(~ 300 S m⁻¹)和合适的平均锂化电位，黑磷(BP)被认为是最有前途的高比能、安全性快充锂离子电池(LIBs)负极材料之一。然而BP在电化学过程中严重的体积膨胀和缓慢的动力学阻碍了其进一步的应用。相比于块体BP，其单层少层结构——黑磷烯，在合金化过程中具有较小的体积形变及更多的离子转运通道，因而表现出更高的电活性电化学应用潜力。不同于传统概念块状压电体或铁电体及其临界尺寸效应面临的稳定性难题，二维原子或层状电活性压电体或铁电体材料表现出独特的压电性或铁电性及其显著的结构或性能上的各向异性。黑磷烯的本征压电特性使得通过合理调控黑磷烯的取向分布利用其独特的压电-电化学耦合机制来加速离子动力学成为可能。与传统的调浆涂覆法相比，通过自组装法制备及增材制造的自支撑织构膜电极(MEAs)对电活性材料的取向和电极结构拥有更好的调控性。研究利用压电-电化学或铁电-电化学耦合增强的高密度二维电活性异质结增材制造的非对称织构膜电极，促进电化学储能稳定性与动力学，不仅为锂离子电池材料致密储能电源的开发提供了新思路和新方法，而且为寻找超越传统电池体系，解决高比能、高功率、高低温极端环境适应安全性技术问题，特别是应用于高比能快充与低温快充电池的可能。

 本文亮点

1. 通过极性尿素分子胶水界面辅助自组装及黑磷烯/MXene异质结增材智造，制备了表面具有褶皱结构的纳米压电复合不对称织构膜电极。

2. 详细讨论了这种新型自支撑非对称异质结织构膜电极的优异电化学特性及其本征压电特性对离子转运动力学的积极影响。

3. 揭示了黑磷烯的逐步锂化过程，验证了这种黑磷烯基纳米压电异质结织构膜电极增强的循环稳定性与动力学可能应用于快充及低温快充电池。

 内容简介

理论上，通过控制电化学活性材料的晶体学各向异性，可以为探索储能系统中未开发的参数，从而为材料创新和设计提供了新的机会。一般认为，具有晶体结构的电极，与其无织构的多晶或单晶类似物相反，是商业化可充电电池中有希望的候选者。基于电化学电池的基本原理，具有优选取向的晶体织构电极，在面外朝向电极排列代表了利用晶体各向异性特性的最佳策略。然而，实际上不仅需要考虑电化学活性电极材料的晶体学电化学动力学，而且要兼顾循环电力学的稳定性。因此，优化或诱导压电-电化学二维异质结超构膜电极中二维材料分子和晶体取向排列方式由平行取向(面朝上face-on)或垂直取向(边朝上edge-on)发生转变到一定程度的电极化倾斜(tilted)取向，可能使超构膜电极表现出更优异的各向异性机电-电化学耦合效应与效率，且能兼顾电化学储能的动力学与稳定性。此外，黑磷烯在传统的调浆涂覆法制备电极的过程中会不可避免地出现团聚及重堆叠现象，从而降低了其作为二维材料的优势，并表现出较差的压电特性和电化学性能。苏州大学徐泽文/黄程等采用尿素分子胶水(一种分子界面诱导与桥联剂)辅助的取向调控和交联策略制备了具有表面褶皱结构的压电性黑磷烯/MXene异质结不对称织构膜电极，并直接作为自支撑锂离子电池负极使用。通过原位XRD揭示了其逐步的锂化过程，并且阐明了其本征压电特性在合金化的过程中的压电-电化学耦合对锂离子动力学的积极影响。所制备的黑磷烯/MXene异质结电极在100 mA g⁻¹下其表现出1463.2 mAh g⁻¹的比容量，并且在500 mA g⁻¹下循环1000圈后仍能维持为406.8 mAh g⁻¹的比容量，表现出增强的循环稳定性和良好的动力学。在 -20 ℃ 下高达 524 mAh g⁻¹ 的可逆容量，可能应用于高比能、高安全、快充及低温快充电池。

 图文导读

I 黑磷烯与黑磷烯/MXene异质结的结构表征与压电特性测试

图1a所示为黑磷烯在NMP溶剂中随超声剥离时间的颜色变化。随着剥离时间的延长，其NMP溶液逐渐变成墨绿色，表现出了黑磷烯溶质的典型特征。透射电子显微镜(图1b)进一步显示了其堆叠的层状结构且尺寸在100-500 nm之间，有序的晶格条纹证实了其较高的结晶度。图1c为所制备黑磷烯的光致发光(PL)谱，表明所得到的发射峰特征可对应于少层黑磷(低于8 nm)纳米片或者黑磷烯量子点(PQDs)。进一步通过AFM测试表明，制备的黑磷烯纳米片厚度在2-4 nm之间(~ 4-7层黑磷烯)，其侧边长度在100-500 nm之间，与TEM结果一致。通过PFM测试验证黑磷烯固有的压电特性，图1e显示了PFM的测试区域，其高度分布与AFM图像的高度分布一致，进一步表明所制备的黑磷烯为少层结构。所制备的黑磷烯的压电相位响应和振幅响应分别如图1f和1g所示，压电相位响应表现出了矩形的迟滞环路，表明所制备黑磷烯纳米片的极化方向可以转换180°。此外，其表现出了明显的蝴蝶状的振幅响应曲线，进一步证明了其良好的压电特征。

▲图1. 所制备的黑磷烯的表征：(a)黑磷烯在NMP溶剂中随着剥离时间溶液颜色的变化；所制备黑磷烯的(b)透射电子显微镜和高分辨率透射电子显微镜图(插图为选取电子衍射图)；(c)光致发光谱；(d)相应的原子力显微镜图；(e)压力显微镜测试区域；(f)黑磷烯的压电相位响应和压电幅度响应。

黑磷烯/MXene异质结膜电极的制备过程如图2a所示。将黑磷烯和少层Ti₃C₂Tₓ纳米片从它们各自的块体结构中进行剥离，然后在尿素的诱导下进行自组装。制备的复合膜表面存在波纹结构，而这些褶皱能够为锂离子提供更多的转运通道，进而提升电化学性能。此外，由于MXene仍然占据较大比例，因此制备的复合膜仍能保持MXene膜典型的层状结构(如图2b和2c)。通过2D GIWAXS测试，研究黑磷烯在Ti₃C₂Tₓ表面的排列取向。结果表明黑磷烯/MXene复合膜表面表呈无特定排布取向的分布方式，与扫描电镜图中其表面充满褶皱结构的结果相吻合。相比于有序水平结构的Ti₃C₂Tₓ纳米片，复合膜表面的开放式褶皱结构能够有效促进电解液的渗入并为锂离子提供更多转运通道。黑磷烯在Ti₃C₂Tₓ表面呈现出较为随机的倾斜排布取向，但其在Ti₃C₂Tₓ框架内仍然能保持较整齐地水平排布取向，因而复合膜整体依旧能较好地继承黑磷烯压电特性并表现出良好的d₃₃压电系数(9.7-10 pC N⁻¹)如图2f所示。

▲图2. (a)黑磷烯/MXene复合膜制备过程示意图；(b)典型的波纹图案；(c)黑磷烯/MXene复合膜的表面和截面SEM图；(d)纯MXene和(e)黑磷烯/MXene复合膜的典型2D GIWAXS图像；(f)黑磷烯/MXene复合膜的d₃₃压电系数。

▲图3. 所制备的黑磷烯/Mxene复合膜的表征:(a)三种材料的XRD图谱和(b)相应的拉曼光谱;(c)黑磷烯/MXene复合膜的HRTEM图；黑磷烯/MXene的(d)P 2p，(e)Ti 2p和(f)C 1s能谱图。

图3a、3b分别展示了几种材料的XRD图谱和拉曼图谱，复合膜的XRD峰与拉曼峰都包含了两种材料的特征峰，证明了二者的复合。HRTEM图(图3c)显示了黑磷烯纳米片在MXene层间的内嵌，相应的XPS图谱(图3d-f)进一步印证了二者的有机结合。

II 电化学性能测试及储锂机理分析

图4a所示为黑磷烯/MXene复合膜电极在0.5 mV s⁻¹扫速下的CV曲线，有四个主要的还原氧化峰(~ 0.5 V，0.1 V，1.5 V和2.2 V)，位于约0.5 V的还原峰是不可逆的，其可能来源于SEI的形成以及电解液的部分分解。黑磷烯/MXene复合电极表现出较好的首圈充电比容量(1463.2 mAh g⁻¹)，对应着70.8%的首圈库伦效率(如图4b)。在首圈放电曲线中有三个明显的放电平台，对应着黑磷烯逐步锂化的过程，在循环100圈后，其仍能维持848.3 mAh g⁻¹的可逆容量。图4c展示了制备的黑磷烯/MXene复合电极的良好倍率性能。随着电流密度的增加，在2 A g⁻¹电流密度下表现出405 mAh g⁻¹的比容量，当电流密度返回到0.1 A g⁻¹时，其比容量再次恢复到了878 mAh g⁻¹。为了研究复合膜电极中黑磷烯含量对复合电极电性能的影响，制备了不同比例的复合膜电极，当黑磷烯/MXene比例为1：3的复合膜电极电化学性能最佳。为了进一步验证MXene导电框架对黑磷烯的体积膨胀的抑制作用，分别拍摄了不同电极在循环前后的横截面SEM对比图(图4e)。在循环100圈后，所制备的黑磷烯/MXene复合膜电极仅表现出了~ 2.5%的体积变化。图4f展示了黑磷烯/MXene复合膜电极的长循环性能，在0.5 A g⁻¹的电流密度下能够表现出1025 mAh g⁻¹的高可逆比容量，在循环1000圈后仍能保持约420 mAh g⁻¹的比容量，其平均每圈容量损失率仅为0.059%。

▲图4. 所制备的黑磷烯/Mxene复合膜电极的电化学性能：(a)黑磷烯/Mxene复合膜电极(1:3)在0.5mV s⁻¹下的前三次CV曲线；(b)在100 mA g−1下的第一、第十、第一百条充放电曲线；(c)块状BP、黑磷烯、Ti₃C₂Tₓ和黑磷烯/Ti₃C₂Tₓ复合膜电极的倍率性能和(d)块状BP、黑磷烯、Ti₃C₂Tₓ和不同比例复合膜电极的循环性能；(e)黑磷烯/MXene复合电极循环前后(0.1 A g⁻¹下循环100圈)的横截面SEM对比图；(f)黑磷烯/MXene复合膜电极的长循环性能及相应的库伦效率(前5圈：50 mA g⁻¹; 6-1000圈：500 mA g⁻¹或2 A g⁻¹)。

为了进一步探究所制备黑磷烯/MXene膜电极的储锂机理，进行了交流阻抗(EIS)测试，EIS图谱和拟合电路如图5a所示。黑磷烯/MXene复合电极的Rf和Rct值分别从原先块体黑磷的56.47 Ω和267.4 Ω降到了24.53 Ω和98.86 Ω，显示出了更快的电子转移能力。为了研究电极具体的储锂行为，进行相应的b值计算。黑磷烯/MXene复合膜电极b值为0.68，表明其同时拥有电容和扩散控制过程的双储能机理。黑磷烯在充放电过程中的合金化反应为扩散控制过程，而MXene框架表面丰富的活性位点及官能团能够则能够提供更多的赝电容贡献。为了进一步研究其反应机理，原位XRD技术被用来探究其充放电过程中的产物，结果如图5e所示。黑磷与锂合金化过程中的几种重要中间产物(如LiP₅，LiP和Li₃P)的特征峰都在充放电过程中被探测到。最终产物Li₃P之前的中间体(如LiP₅，Li₃P₇和LiP)的特征峰都在放电过程中被检测到，并在随后的充电过程中消失，表明了这些中间产物的高度可逆性。

▲图5. 黑磷烯/Mxene复合膜电极的电化学动力学分析：(a)四种电极的EIS图和相应的等效电路；(b)黑磷烯/Mxene复合膜电极在不停扫描速率下的CV曲线；(c)四种电极的计算b值；(d)黑磷烯的反应示意图；(e)黑磷烯/Mxene复合膜电极的原位XRD图谱。

图6a展示了传统2D电极和不对称波纹膜电极的锂离子转移过程的比较，波纹表面具有开放的结构，能够为锂离子提供更多转移通道，从而表现出更快的锂离子转移动力学。在黑磷烯/MXene(1：3)||LFP组成的全电池体系中，复合膜电极在0.2 C的电流密度下循环200圈后仍能达到94.7%的容量保持率(图6b-c)。图6d-f显示了锂离子在不同结构层间的扩散能垒差异，相比于双层黑磷烯，锂离子在黑磷烯/Ti₃C₂O₂和黑磷烯/ Ti₃C₂F₂异质结层间的扩散能垒分别显著降低至0.354和0.250 eV，表明了MXene框架的引入和异质结结构的形成对锂离子的在黑磷烯电极中扩散的积极影响。为了研究黑磷烯/MXene异质结的压电特性对于提升锂离子动力学的积极影响，采用COMSOL软件模拟放电过程中的压电场。尽管黑磷烯在充放电过程中严重的体积膨胀现象已经被较好地缓解。然而Li₃P的形成使得其在充放电时其仍存在一定的体积变化，相应的弹性应变被施加给相邻的压电性黑磷烯纳米片上，促使黑磷烯沿锂离子扩散的方向自发产生压电场，并为锂离子在黑磷烯层间中相邻吸附位点的转运提供额外的动力，从而有效加速其动力学并提升电性能。

▲图6. (a)传统2D电极和不对称波纹纹理膜电极的锂离子转移的比较；(b)黑磷烯/Ti₃C₂Tₓ (1:3)||LFP全电池及其在功率器件中的应用示意图，以及其在0.2C(1C=170mAh g⁻¹)下的相应循环性能。锂离子在不同层间从稳定吸附位点到另一个稳定吸附位点的扩散路径及其相应的扩散能垒(d)双层BP、(e)黑磷烯/Ti₃C₂O₂和(f)黑磷烯/Ti₃C₂F₂异质结构；(g)通过COMSOL模拟的不同取向的黑磷烯在合金化过程中所产生的压电势。

III 总结

研究高密度二维混维或异维电活性异质结增材制造的非对称织构膜电极，利用压电-电化学或铁电-电化学耦合增强机制促进电化学储能稳定性与动力学，不仅为锂离子电池材料致密储能电源的开发提供了新思路和新方法，而且为寻找超越传统电池体系，解决高比能、高功率、高低温极端环境适应安全性技术问题，特别是应用于高比能快充与低温快充电池的可能。本文提出了一个极性尿素分子胶水辅助的制备压电性黑磷烯/MXene异质结波纹织构复合膜电极的方法。得益于黑磷烯与MXene框架的有机结合和其异质结结构所带来的优势，所制备的复合膜电极在半电池和全电池体系中都表现出良好的循环稳定性。其逐步的锂化过程也通过原位XRD表征被揭示，而Li3P的部分不可逆性可能是造成黑磷基电极在前期容量快速衰减的主因，而通过合理的设置截止电压以及进一步的整体结构优化，压电性或热电及铁电性黑磷烯作为锂离子电池负极材料的潜力可以被进一步地发掘利用。自支撑电活性纳米压电复合织构膜也有助于柔性可穿戴储能器件与自供电智能换能器传感器系统集成的快速发展。

来源
微纳快报 l

苏州大学徐泽文/黄程等：基于压电性黑磷烯/Ti₃C₂Tₓ异质结增材制造的非对称织构膜电极用于增强电化学储锂稳定性与动力学

纳微快报：

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2022JCR影响因子为 26.6，学科排名Q1区前5%，中科院期刊分区1区TOP期刊。

Citation
Textured Asymmetric Membrane Electrode Assemblies of Piezoelectric Phosphorene and Ti₃C₂Tₓ MXene Heterostructures for Enhanced Electrochemical Stability and Kinetics

Yihui Li, Juan Xie, Ruofei Wang, Shugang Min, Zewen Xu*, Yangjian Ding, Pengcheng Su, Xingmin Zhang, Liyu Wei, Jing-Feng Li, Zhaoqiang Chu, Jingyu Sun, and Cheng Huang*

Nano-Micro Letters (2024)16: 79

https://doi.org/10.1007/s40820-023-01265-5

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根据 的市场洞察，SiC陶瓷TPMS（极小曲面）点阵结构在航空航天领域的应用前景非常广阔，主要得益于其独特的性能优势和制造技术的不断进步。其中陶瓷可以满足耐高温和轻量化需求，举例来说高超声速飞行器的发展对热防护材料和结构提出了严峻的要求，需要材料能在极端环境下安全服役，同时具有轻量化特性以提高飞行器的有效载荷。SiC陶瓷TPMS点阵结构因其耐高温、高强度、抗氧化和低密度的特性，成为理想的候选材料。SiC陶瓷TPMS点阵结构还可以作为一体化热防护结构（ITPS），在满足承载要求的同时提供热防护，这对于高超声速飞行器来说是关键技术之一。

增材制造技术，特别是激光粉末床熔融（LPBF）技术的发展，使得复杂几何形状的SiC陶瓷点阵结构的制造成为可能。通过优化打印参数和后处理工艺，可以获得制造精度高、残余硅含量低、力学性能优异的SiC TPMS点阵结构

本期借助Wiley工程世界的分享，本期 与谷友共同领略关于SiC陶瓷TPMS（极小曲面）点阵结构的科研突破。

▲增材制造SiC三周期极小曲面点阵结构的工艺调控及力学性能研究

Performance optimization of Si/SiC ceramic triply periodic minimal surface structures via laser powder bed fusion

https://ceramics.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/jace.19397

“通过调整激光粉末床熔融（LPBF）等增材制造技术的3D打印参数，如激光功率、扫描速度、层厚、能量密度等，可以显著影响SiC点阵结构的制造精度。这些参数的优化有助于控制构建过程中的熔池行为，减少缺陷，提高成形质量。同时优化拓扑结构和工艺参数可以提供更高效且成本更低的解决方案。通过整合工艺-性能-结构-性能关系，可以控制屈服强度和断裂韧性，从而优化SiC TPMS点阵结构的制造精度。”

发现
3D Science Valley Discovery

关键点：

这项研究为制造具有优异力学性能的SiC TPMS点阵结构提供了重要的理论基础和工艺指导。通过优化增材制造打印参数和后处理工艺，可以生产出具有高制造精度、低残余硅含量和优异力学性能的SiC TPMS点阵结构，这对于航空航天和国防等领域的应用具有重要意义。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

Insights that make better life

 文献概要

SiC陶瓷点阵结构具有超轻、比强度高等特点，在航空航天、国防等领域具有广泛的应用前景。本研究对三种不同体积分数的SiC陶瓷极小曲面（TPMS）点阵结构的增材制造打印参数和液相渗硅（LSI）后处理工艺进行了系统的分析优化。揭示了SiC TPMS点阵结构独特的反应烧结过程机理，最终得到的SiC TPMS点阵结构具有较高的制造精度、较低的残Si含量和优异的力学性能。

 正文导读

▲图1 SiC TPMS点阵结构增材制造及后处理工艺调控示意图

SiC陶瓷点阵结构因其导热系数高、化学稳定性好、耐磨性好等优异性能，在各个工程领域的应用需求逐步提升。基于逐层制造模式的增材制造技术是生产具有复杂几何形状的陶瓷点阵结构的一种有效的手段。极小曲面是在一定的约束条件下满足面积最小并且平均曲率为零的曲面，具有表面光滑、曲率半径均匀、高强度-重量比等优越性能。鉴于SiC陶瓷TPMS点阵结构的潜在应用前景，优化制备工艺，提高SiC TPMS结构的力学性能具有重要意义。

如图1所示，SiC点阵结构的制造优化主要包括两部分：激光粉末床熔融增材制造打印参数的优化和液相渗硅反应烧结后处理工艺的优化。综合考虑结构整体的线性收缩率和支杆尺寸偏差，可以获得SiC点阵结构的最佳打印参数。通过最佳打印参数制备的SiC点阵结构展现出较优的开口孔隙率、体积密度和相对抗压强度，验证了所选择的优化打印参数的适用性。

在获取最佳打印参数后，采用最佳打印参数制备SiC点阵初坯，对其进行不同次数的渗碳处理，结果显示，随着碳密度的增加，SiC点阵结构的开口孔隙率和残余硅含量先减小后增大。相反，随着碳密度的增加，SiC点阵结构的体积密度、断口质量、支杆尺寸偏差和力学性能先增大后减小，因此SiC TPMS点阵结构在液相渗硅反应烧结后处理的工艺中存在最佳碳密度。优化渗碳工艺后选取4次渗碳次数作为最佳渗碳次数，采用该渗碳次数制备的SiC TPMS点阵结构的力学性能最佳，体积密度较高，残余Si含量较低，制造精度较好。

▲图2 传统SiC块体预制体和SiC TPMS预制体的液相渗硅反应烧结工艺示意图

对SiC TPMS点阵结构的液相渗硅反应烧结原理进行了解释，如图2所示。一方面，SiC TPMS点阵结构比表面积较高，存在更多的Si浸渗毛细通道；另一方面，SiC TPMS点阵结构中较小的支杆直径使得硅渗透时间更短，两方面原因使得TPMS结构中最佳碳密度提高，从而使SiC TPMS结构具有显著优异的力学性能。

本论文的研究获得了SiC TPMS点阵结构的最佳增材制造打印参数和碳密度，并深入阐明了SiC TPMS点阵结构的液相渗硅反应烧结机理，为有效制备具有优异力学性能的近净成形SiC TPMS点阵结构提供了理论基础。

来源
Wiley工程世界 l

J Am Ceram Soc 华中科技大学闫春泽｜增材制造SiC三周期极小曲面点阵结构的工艺调控及力学性能研究

作 者
1吴思琪，华中科技大学，博士生

研究方向：点阵结构的增材制造及力学研究

2杨磊，武汉理工大学，教授

研究方向：1. 轻量化/承载一体化功能点阵结构的设计、制备及力学分析

2. 纤维复合材料增材制造装备与工艺开发

3闫春泽，华中科技大学，教授

研究方向：1. 高性能陶瓷增材制造技术与装备

2. 连续纤维增强复合材料机器人增材制造技术与装备

3. 高性能特种工程聚合物增材制造技术与装备

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根据 的市场洞察，在海洋石油钻井中使用的钛合金钻杆面临多种挑战，利润在海洋环境中，钻杆与周围结构的摩擦会导致磨损和腐蚀的双重损害，这种磨损腐蚀会加速钻杆的损坏。海洋环境通常含有高盐分和腐蚀性物质，这会对钛合金钻杆造成腐蚀，降低其结构完整性。同时，钻井过程中，钻杆需要承受地下深处的高压和高温，这对材料的性能提出了很高的要求。尤其是，长时间的钻探活动会导致钻杆材料的疲劳，增加断裂的风险。进一步的，海洋中的微生物可以促进腐蚀过程，导致钻杆材料的降解。同时，钻杆在钻探过程中可能会遭受冲击和振动，这可能导致材料疲劳和结构损伤。

本期，借助材料科学与技术的分享，本期 与谷友共同领略关于3D打印在中国海洋大学在这一领域的突破。

▲论文链接：DOI: 10.1016/j.jmst.2023.11.027

“钛合金钻杆的环保涂层技术主要旨在提高其耐磨性、耐腐蚀性，同时减少对环境的影响，激光熔覆技术是其中的一种。选择环保涂层技术时，需要考虑涂层的耐久性、成本效益、环境影响以及与基材的相容性。通过涂层技术，可以提高钛合金钻杆的性能，同时减少对环境的影响。”

发现
3D Science Valley Discovery

关键点：

这项研究展示了通过调整LDED过程中的元素比例，由于晶粒细化、高密度位错和纳米TiB相共同作用，可以制备出具有优异耐磨和耐腐蚀性能的Ti基复合涂层，这对于提高海洋石油钻井钛合金钻杆的使用寿命和可靠性具有重要意义。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

Insights that make better life

 晶粒细化、高密度位错和纳米TiB相

01 全文速览

采用激光直接能量沉积技术在TC4钛合金表面制备了Ti基复合涂层。在β基体(富Cu软相和富Mo硬相)上形成了一种新的多级强化相(微米级TiN相和纳米级TiB相)。随着具有高Q值的铜元素含量的增加，晶粒明显细化。由于Mo元素的固溶强化和TiN相的形成，复合涂层的显微硬度提高。同时，由于晶粒细化、高密度位错和纳米TiB相共同作用，复合涂层的断裂韧性显著提高。涂层硬度和韧性的协同提高促进了磨损表面钛钼铜复合氧化膜的生成，耐磨损腐蚀性能比TC4提高了7倍以上。

02 研究背景

海洋石油钻井中使用的钛合金钻杆由于腐蚀和磨损(也称为磨损腐蚀)的双重作用而损坏或废弃。更换新的钻杆不仅消耗材料、时间和金钱，而且不能从根本上解决钛合金钻杆的摩擦腐蚀问题。然而，传统材料的耐磨性和耐腐蚀性是矛盾的。具有高硬度的陶瓷相往往表现出脆性倾向，在拉伸或磨损过程中加速裂纹的萌生和扩展，从而加剧材料的脆性和腐蚀。因此，应同时考虑复合涂层的硬度和韧性，以提高材料的耐摩擦腐蚀性能，确保设备的可靠运行。

03 本研究亮点

总结了复合涂层凝固过程中微观组织演变的热力学和动力学过程。

研究了复合涂层中不同相的硬化增韧机理。

分析了非均相结构与摩擦腐蚀行为的关系。

04 主要内容

本文采用Mo、Cu和BN粉末通过激光直接能量沉积技术制备了具有多级析出相和细化β晶的复合涂层。

▲图1 粉末原料图: (a) Ti64, (b) Mo, (c) Cu, (d) BN, (e)混合12Cu粉末的EDS结果; (f) LDED制造工艺示意图; (g)样品加工示意图。

随着Cu元素的增加，涂层的晶粒尺寸从10 μm减小到2 μm。更值得注意的是，TiN相的取向基本保持不变。同时，复合涂层的织构强度显著降低，复合涂层的高角度晶界(HAGBs)由16.9%增加到32.1%。

▲图2 4Cu、8Cu、12Cu和16Cu复合涂层的EBSD分析: (a-d)反极图(IPFs)和相图; (e-h) β相和TiN相的PFs; (i – 1)晶界图。

▲图3 12Cu复合涂层的TEM结果: (a)亮场图像及相应的EDS结果; (b-d)富Mo和富Cu相的亮场图像及相应的选定区域电子衍射图; (e-h) TiN和TiB相的亮场图像、相应的选定区域电子衍射图和元素的谱线分布结果。

随着Cu含量的增加涂层的硬度逐渐提高。当涂层强度达到615 MPa，塑性14.5%，断裂韧性仍保持在8.37 MPa·m1/2。

▲图4 (a)显微硬度随涂层深度的变化; (b) 12Cu复合涂层的纳米压痕形貌; (c)深度与荷载的关系; (d)硬度和Er。

▲图5 涂层代表性区域的压痕形貌:(a) 4Cu, (b) 8Cu, (c) 12Cu, (d) 16Cu。

▲图6 不同条件下LDED复合涂层的电化学测试曲线及相应的COF值 :(a) OCP; (b) 0.2VOCP的恒电位极化; (c)动电位极化; (d)磨损前、磨损中和磨损后的OCP值; (e)钝化电流密度; (f)不同条件下的COF值。

▲图7 用Matlab得到了铜含量、电位、磨损体积关系的云图。

揭示了添加元素后复合涂层在凝固过程中的组织演变。研究了多级沉淀强化和细晶强化对合金显微硬度和韧性的影响，深入讨论了多尺度析出相(TiN + TiB)和细化等轴β晶粒(富Mo和富Cu相)在磨损腐蚀过程中的作用。

随着具有高Q值的Cu含量的增加，LDED复合涂层的韧性增强，其主要原因是晶粒尺寸的细化、纳米TiB相的析出强化和位错密度的增大。耐磨损腐蚀的机理包括显微硬度的提高、韧性的增强和致密复合氧化膜的形成。

▲图8 图中显示了与铜相关的较大ΔT0增大CS区: (a, c) 4Cu复合涂层，(b, d) 12Cu复合涂层。

▲图9 不同Cu含量(a) 4Cu, (b) 12Cu的LDED复合涂层摩擦腐蚀机理。

05 总结与展望

在凝固过程中，TiN相和TiB相优先析出，过量的B元素为β相形核提供了驱动力。随后，在Mo元素的作用下，β相形核长大，在凝固前沿挤出更多的Cu。在β相形核过程中，Cu的偏析扩大了CS区，细化了β晶粒。

由于Mo元素的固溶强化和微米TiN相的形成，复合涂层的显微硬度是TC4的2倍以上。同时，晶粒细化、纳米TiB相和大量位错提高了涂层的抗裂纹扩展能力。

在摩擦腐蚀过程中，TiN相和富Mo相起支撑作用。随着Cu含量提高，富Cu软相的增加减少了富Mo相的脆性断裂。同时，在重复摩擦过程中形成钛钼铜复合氧化膜，协同增强了涂层的耐磨损腐蚀性能。

团队简介：

中国海洋大学筑峰人才工程第一层次特聘教授崔洪芝带领的极端环境材料团队，现有教师15人，博士后、博士生和硕士生90余名。团队依托崂山实验室、海工装备基础科学中心、海洋材料与防护技术教育部工程研究中心、海洋装备特种材料山东省工程研究中心以及滨海试验场，致力于海洋、轨道交通、风电、军工等极端环境装备材料、耐磨耐蚀耐热材料、高能束加工与增材制造、海洋多因素环境损伤评价等方向研究，先后承担完成国家863计划、国际合作、国家基金、“十四五”服务山东重点建设项目及山东省重大工程项目等30余项，2019年获国家技术发明二等奖、2008年获国家科技进步二等奖，获得省部级奖励20余项，发表SCI论文300余篇，授权发明专利90余件，软件著作权5项，出版专著3部。2023年、2021年入选中国工程院化工、冶金与材料学部院士有效候选人。团队形成从材料设计、制备技术开发到工程化应用的全链条研发能力，开发的材料和技术在海洋平台、钻采设备、大型煤炭机械、内燃机、轨道交通、航空装备、船舶制造等关键领域及部件上推广应用。极端环境材料团队网站链接https://www.x-mol.com/groups/cui_hongzhi

来源
材料科学和技术 l

中国海洋大学崔洪芝教授课题组：通过增硬和增韧效应协同提高增材制造Ti基异质复合涂层耐磨耐蚀性能

Citation
Hongwei Zhang, Hongzhi Cui, Xiaojie Song, Kun Pang, Cheng Man, Feiya Liu, Xiaoying Wang, Zhongyu Cui, Excellent tribocorrosion resistance of additively manufactured Ti-based heterogeneous composite coating via hardening and toughening effects, J. Mater. Sci. Technol. 190 (2024) 76-92.

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根据 的市场洞察，同步辐射X射线衍射（XRD）可以用来确定材料的晶体结构，包括晶体的晶格参数、晶体缺陷、相变等。通过X射线荧光（XRF）技术，可以对材料的成分进行非破坏性分析，这对于研究材料的化学组成和元素分布非常有用。同步辐射技术因其高亮度、高能量和高分辨率的特点，在材料科学的研究中发挥着越来越重要的作用。

根据材料学网，上海交通大学材料科学与工程学院的研究人员在激光增材制造领域取得了显著进展，特别是在利用同步辐射原位研究方面。他们通过同步辐射高能X射线快速成像技术，对高熵Cantor合金在多层定向能量沉积（DED）过程中的孔洞形成和演化进行了深入研究。

▲https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0890695524000671
© ScienceDirect

同步辐射技术可以用来研究材料在外界条件（如温度、压力、磁场等）变化下的动态过程，如相变、扩散、化学反应等。同步辐射技术可以用于原位实验，即在实验过程中实时观察材料的变化，这对于理解材料的物理和化学行为至关重要。”

发现
3D Science Valley Discovery

关键点：

研究团队揭示了三种新的孔洞形成机制，并验证了三种已知的孔洞生成机制。此外还提出了一种基于熔池尺度流场高时空分辨表征的新机制，用以调控马兰戈尼流，实现孔隙消除。这些发现对于高熵合金的增材制造具有重要意义，为开发精确的计算模型和深入理解熔池微观尺度下的孔隙控制策略提供了关键实验数据。这项研究不仅对高熵合金的增材制造有重要意义，也对其他新型合金体系的DED工艺参数优化、开发可靠的高保真计算模型以及从熔池尺度调控缺陷具有理论指导意义。

Insights that make better life

 同步辐射原位研究领域

上海交通大学材料科学与工程学院董安平研究员、熊良华副教授、杜大帆副教授、何林助理教授课题组联合北京中国科学院高能物理研究所张兵兵副研究员团队，在激光增材制造同步辐射原位研究领域取得了重要进展，相关研究成果以“Dynamics of pore formation and evolution during multi-layer directed energy deposition additive manufacturing via in-situ synchrotron X-ray imaging: A case study on high-entropy Cantor alloy”为题发表在International Journal of Machine Tools and Manufacture上，这是国内首篇仅利用国内同步辐射资源发表的原位增材高水平文章。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

该工作利用同步辐射高能X射线快速成像技术，对典型高熵Cantor合金在传导模式下的多层定向能量沉积（DED）过程进行了原位研究，揭示了三种新的孔洞形成机制，并验证了三种已知的孔洞生成机制；与此同时，基于熔池尺度流场高时空分辨表征，提出了一种调控马兰戈尼流实现孔隙消除新机制。这些发现为高熵合金的增材制造提供了关键的实验数据，有助于开发精准的计算模型和深入理解熔池微观尺度下的孔隙控制策略。上海交通大学材料科学与工程学院博士生张书雅为论文第一作者，上海交通大学材料科学与工程学院孙宝德教授、董安平研究员、熊良华副教授、中国科学院高能物理研究所张兵兵副研究员为论文共同通讯作者，上海交通大学为论文第一完成单位。

▲图1 同步辐射原位研究激光定向能量沉积增材制造过程，从熔池尺度高精度高时空分辨揭示内部孔洞形成及演化新机制。

激光定向能量沉积（Laser Directed Energy Deposition, LDED）增材制造技术快速实现三维复杂几何形状和大尺寸组件的高质量制造，并且能够制备微观结构可调的新型合金和功能梯度合金，在航空航天、生物医学和核能领域具有重要应用。

然而，与传统的铸造和焊接工艺相比，3D打印产品通常表现出更高的孔隙率和更大的孔隙尺寸，难以保障其激光打印一致性和稳定性，严重影响了零件的力学和服役性能。因此，通过优化工艺过程以减少孔隙，对于打印高熵合金等新型金属至关重要。然而，目前对于多层DED过程在传导模式下孔洞形成机制的系统性分析仍然有限；熔池内部形成的孔洞如何随熔流演变并相互作用？这些基础科学问题对于减少甚至消除孔隙至关重要，而多物理模拟熔流对孔隙往往依赖高精度实验数据，当前在多道次DED原位实验研究尚未报道。

▲图2 同步辐射快速成像原位研究DED过程。（a）利用高能快速X射线成像技术实时监测粉末输送示意图；（b）同步辐射线站原位表征装置图。

针对上述问题和挑战，研究人员利用同步辐射高能X射线快速成像技术，高时空分辨穿透高温金属熔体，实时观察到高动态微尺度下熔池和气孔的动态演变过程，原位研究了传导模式下多层DED过程中多种合金体系（从铝基、钛基、镍基合金到高熵合金）中的孔洞形成及演化行为，阐明了熔池内六种孔洞生成机制和三种孔洞演化机制。

▲图3 同步辐射快速成像高时空分辨表征熔池形貌，定量化数据可以标定和输入高保真模型。

研究还发现，典型Cantor高熵合金中存在独特的逆Marangoni对流现象，有助于延长孔洞的生存时间。在熔池循环区，孔洞沉降至激光相互作用区相邻位置的熔池底部，随后被推至熔池尾部；在接触到凝固前沿之前向上移动，并重新进入熔池内部循环。长寿命孔洞通常会在熔池激光相互作用区和循环区相邻位置合并，容易向高温区域移动，在热毛细力和浮力主导下经由熔池表面逃逸。这些发现对高熵合金等新合金体系DED工艺参数优化、开发可靠的高保真计算模型以及从熔池尺度调控缺陷等具有理论指导意义。

▲图4 Cantor合金多道次熔覆后熔道形貌，可以看出激光能量密度严重影响多道次熔道内部缺陷生成和熔池表面起伏以及凝固后成形质量。

▲图5 同步辐射原位表征数据定量化分析熔池内部孔洞的捕获和消除行为

上述相关研究得到了国家自然科学基金委（编号：52201017和52071205）、国家重点研发计划（项目号：J2019-VI-0004-0117）、国家重大科技专项（项目号：2021YFB3703400）、上海市浦江人才计划（22PJ1408000）以及中国科学院高能物理研究所等项目和单位的支持。

上海交通大学凝固科学与技术研究所

上海交通大学凝固科学与技术研究所聚焦于高性能金属材料先进制造及凝固理论研究，特别是在高温合金调压铸造和激光增材制造方面，具备国内领先的首台套工业级设备，并与国内外一流大学和研究院所保持长期深入合作关系。近年来主持国家973计划1项，国家自然科学基金重大仪器专项2项，面上项目20余项，青年基金项目3项，以及部分上海市科委、经信委、教委的科研项目，同时承担了多项企业委托课题。团队长期诚聘高温合金调压铸造、激光增材制造、同步辐射原位表征等方向博士后，联系人：董安平（apdong@sjtu.edu.cn）。

来源
材料学网 l

上海交通大学凝固科学与技术研究所：在激光增材制造原位研究领域取得重大进展

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W/Cu双金属因其独特的物理性质，在核聚变反应堆、航空航天器和电力等领域有广泛应用。W和Cu的物理性质差异导致它们难以高质量连接。传统的连接方法如钎焊、扩散焊和爆炸焊在连接W和Cu时存在挑战。

北京航空航天大学管迎春教授联合新加坡南洋理工大学周伟教授研究了一种新方法，通过在W（钨）表面制造微/纳米结构来增强W/Cu双金属的界面结合。通过这种方法，成功制备了无过渡层的W/Cu双金属，其结合强度达到123 MPa。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

▲飞秒激光纹理W 的表面形貌：a W 表面和 b 微槽侧壁的 SEM 图像。c W 表面的 3D 形貌和 d 沿 c 中白线的深度轮廓。

https://doi.org/10.37188/lam.2024.033

© Light l Advance Manufacturing

异种金属增材制造是利用两种或两种以上金属增材成形同一复杂构件，以满足极端服役环境下构件功能化应用需求。在可控核聚变、航空航天、电力等应用领域，钨-铜金属构件具备金属钨高熔点、低溅射和低氚滞留以及金属铜优异导热、导电等特性，近年来备受关注。

现有研究表明，在铜表面增材制造钨时，由于钨与铜互不相容，未熔钨粉末与液态铜混合导致接头位置产生大量裂纹、气孔等缺陷；在钨表面增材制造铜时，由于钨很难熔化，高温下液态铜在钨表面润湿性差，钨-铜接触界面易产生严重翘曲。因此，钨-铜异种金属增材制造连接界面缺陷抑制问题亟待进一步解决。

北京航空航天大学管迎春教授联合新加坡南洋理工大学周伟教授，创新提出了一种基于钨表面织构的钨-铜异种金属互锁连接新方法，在无任何过渡层的前提下，成功实现了增材制造钨-铜异种金属接头的高性能连接，为难熔异种金属增材制造提供全新参考，该成果以“Improving bonding strength of W/Cu dual metal interface through laser micro-structuring method”为题，发表在Light: Advanced Manufacturing。

该方法先在难加工金属钨表面激光加工高深径比沟槽结构，并基于超快激光与钨材料间相互作用，诱导表面纳米结构（如图1）。进一步地，在织构化处理钨表面铺铜粉，调控表面铜增材制造过程中材料熔化、流动及凝固行为，实现钨-铜异种金属互锁连接，如图2所示。

▲图1：激光增材制造钨-铜异种金属宏/微观结构

▲图2：增材制造钨-铜异种金属宏/微观照片

如图3所示，在激光织构化钨表面增材制造铜过程中，一方面，表面微纳结构改善高温下液态铜在钨表面的润湿性；另一方面，高深径比沟槽结构还可以提高液态铜在微结构内部毛细力，促进高温下液态铜的快速铺展，有效抑制钨-铜界面缺陷的同时提高接头处两种金属接触面积。此外，超快激光改性进一步促进钨-铜界面元素相互扩散层，增强两种材料界面结合力。最终，钨-铜异种金属界面产生高质量机械互锁。

▲图3：钨表面激光织构化对于铜增材过程调控

钨-铜异种金属断裂机理示意图如图4所示，纵向拉伸变形时裂纹起源于未激光织构化钨与增材制造铜的接触表面，加载力增大后，裂纹进一步扩展至嵌入钨内部的铜，实验数据表明接头拉伸断裂强度接近扩散焊接钨-铜接头。值得注意的是，互锁接头力学性能可以通过优化钨表面结构以及界面铜增材制造工艺获得进一步提升。

▲图4：钨-铜互锁接头拉伸断裂过程示意图

I 论文信息

Xing Li, Quanjie Wang, Libing Lu, Yingchun Guan, Wei Zhou. Improving bonding strength of W/Cu dual metal interface through laser micro-structuring method[J]. Light: Advanced Manufacturing 5, 33(2024).

https://doi.org/10.37188/lam.2024.033
来源
先进制造 l Light Adv. Manuf. | 难熔异种金属增材制造界面性能增强新方法

-知识加油站

激光织构化技术

通过激光织构化技术可以改变材料表面的润湿性，制造出超疏水或超亲水表面，应用于自清洁涂层、防雾涂层、防冰表面等。激光织构化技术可以模仿自然界中的表面结构（如荷叶、鲨鱼皮等），激光织构化技术可以用于制造具有特定功能的仿生表面，如减阻、抗污、防冰等。激光表面织构化可以用于提高材料表面的硬度和耐磨性，适用于需要高耐磨性的应用场合。激光织构化技术在实际生产中具有广泛的应用前景，以下是一些主要的应用领域：

• 机械零件表面改性：通过激光织构化技术，可以在机械零件表面制造出特定的微结构，用以改善其摩擦学性能，减少磨损和降低能耗。例如，在汽车发动机的缸孔表面进行激光织构化，可以减少零件摩擦磨损，降低发动机油耗，实现节能减排。
• 刀具和模具表面加工：激光织构化可用于在刀具和模具表面制造微纹理，以提高其耐磨性和抗粘附性，从而提高工具的使用寿命和性能。
• 生物医学领域：激光表面织构化可以用于改善植入物的表面特性，如促进细胞附着和生长，或者减少细菌粘附，从而提高植入物与生物组织的相容性。
• 微流体和光学器件：在微流体通道中制造微结构可以控制流体的流动和混合，而在光学器件表面制造特定微结构可以用于控制光的传播和散射。
• 太阳能电池：在太阳能电池表面制造微结构可以增加光的捕获和吸收，提高电池的光电转换效率。
• 微反应器和传感器：在微反应器和传感器表面制造微结构可以增加表面积，提高反应效率和灵敏度。

钨-铜异种金属互锁

钨-铜异种金属互锁连接技术在实际生产中具有广泛的应用前景，尤其是在那些需要结合钨的耐高温、低溅射特性和铜的高导热、导电性能的领域。

• 核聚变反应堆：钨因其高熔点和低中子活化特性，适用于核聚变反应堆中的面向等离子体材料。通过与铜的互锁连接，可以提高散热效率，维持反应堆稳定运行。
• 航空航天：航空航天领域需要轻质且耐高温的材料。钨-铜合金可以用于制造火箭发动机的喷嘴、航天器的热防护系统等，利用铜的高热导率来散热，同时保持结构的强度和刚性。
• 电力行业：在电力行业中，钨-铜连接技术可以用于制造高性能的电力传输和分配设备，如开关设备、断路器等，这些设备需要在高电流和高热环境下稳定工作。
• 热管理解决方案：在需要精确热管理的领域，如LED照明、计算机CPU和GPU的散热，钨-铜合金可以提供高效的热传导解决方案 。在电子器件中，钨-铜互锁连接技术可以用来制造高性能的散热器，将电子器件产生的热量迅速传导出去，提高设备的稳定性和寿命。
• 生物医学：在生物医学领域，钨-铜合金可以用于制造医疗设备和仪器的部件，这些部件需要在人体内部或在高温消毒过程中保持稳定。

通过激光织构化技术实现的钨-铜异种金属互锁连接，为这些领域提供了一种新的材料连接方法，有望推动相关技术的发展和应用。

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根据 的市场洞察，国际上亚马逊的无人机项目在经历了多次故障、坠毁甚至火灾后，正在建造一个更好的无人机，以帮助规划公司的Prime Air送货服务的未来发展。新的MK30无人机旨在更安静、飞行更远，并且更好地应对元素，例如高温和小雨。

3D打印技术为无人机的制造带来了许多优势，包括更快速的原型制作、定制化以及按需生产。这项技术允许创建复杂、轻巧的结构，非常适合无人机的空中需求，同时也为无人机爱好者提供了前所未有的定制水平。

无人机制造商正在转向使用3D打印技术来制造更优质、更轻、更坚固的无人机组件。3D打印不仅大大缩短了从计划到生产的时间，而且几乎不需要重新调整工具，就可以生产出几乎不需要重新调整的部件。此外，3D打印选项通常最终成本与传统方法相当甚至更低。

本期，通过节选近期国内在低空经济研究探索领域的多个闪光点， 与谷友一起来领略低空经济背后的技术趋势。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

“3D打印技术在无人机的轻量化和力学性能提升方面具有巨大的潜力。通过优化设计和材料选择，可以显著提高无人机的性能，同时降低生产成本。”

图片：MarkForged

发现
3D Science Valley Discovery

国内的研究进展表明未来3D打印材料的多样性和性能将进一步提升，如使用先进的复合材料和智能材料，这将为无人机提供更优越的性能，包括更轻的重量、更高的强度和更好的耐久性.结合自动化和智能化技术，3D打印可以进一步实现无人机的自动化生产，提高生产效率和质量控制水平。

Insights that make better life

 基于连续纤维增材制造工艺
     的四旋翼无人机拓扑优化

熊婷、钱波、胡珍涛、茅健、赵嫚、刘钢

上海工程技术大学机械与汽车工程学院 机械工业航空大型复杂薄壁构件智能制造技术重点实验室 上海交通大学四川研究院

摘要：

针对四旋翼无人机实现轻量化和提升力学性能的需求，提出一种连续纤维增材制造工艺和拓扑优化构型设计相结合的方法。首先基于复合丝材制备工艺，以连续碳纤维为增强材料，短切碳纤维填充尼龙为基体材料，通过熔融沉积成型制得复合材料样件，研究成型方向、纤维分布区域和成型路径方式对样件力学性能影响，得到连续碳纤维复合材料的最佳工艺参数为平放打印、纤维层均匀间隔分布和0°成型路径。其次，利用拓扑优化技术对承载能力最弱工况下的四旋翼无人机重新设计，优化后模型的质量比优化前减轻了48%。再结合最佳工艺参数制备不同连续纤维体积分数的四旋翼无人机样件进行压缩性能测试，结果表明连续纤维体积分数为35%时，可在较低成本下提高样件的力学性能。

 激光增材制造无人机框梁
     结构拓扑优化设计及刚度分析

郝璐静、原帅超、王建峰、段宇航、占小红

南京航空航天大学材料科学与技术学院

摘要：

目的

以选区激光熔化成形（SLM）无人机接头框梁结构为研究对象，研究不同工况条件下零件的变形分布情况，对原零件进行拓扑结构优化，并对优化后的零件进行二次静力学验证。

方法

以AlSi10Mg铝合金粉末为原材料，利用Ansys Workbench软件的Mechanical模块对SLM成形接头零件4种工况下的静力学刚度行为进行有限元仿真。采用变密度法进行拓扑优化，以刚度最大化为目标、保留质量40%为响应约束进行结构优化，根据拓扑优化密度云图设计孔洞位置及尺寸，对模型进行重构，并在Ansys Workbench软件中进行二次静力学刚度仿真。

结果

在4种工况条件下，接头零件弯曲时最大位移位置在上耳片边缘，除工况A外，其余工况均呈现沿z轴正向变形的趋势。在工况B下，总变形最大为0.289 mm，优化后为0.626 mm。优化后的零件使上、下耳片变形程度差异显著减小，最大变形差由0.128 mm减至0 mm。

结论

不同位置接头零件的变形演变规律不同，几乎不存在扭转变形，主要是框梁结构的竖直弯曲变形，经拓扑结构优化后零件变形总体趋势并未改变，但整体结构的稳定性和一致性得到了显著提高。

 3D打印技术
     在无人机生产制造中的应用

褚威、李欣、牛思源、王立东、程高峰

中国酒泉卫星发射中心

摘要：

本课题重点针对SLA和FDM两种3D打印技术进行研究,结合三维激光扫描技术,分析了3D打印技术应用于无人机生产制造的优势和难点问题,通过实际应用案例总结出了一套应用3D打印技术生产制造无人机的方法和流程,对未来可消耗、低成本的小型无人机生产制造具有一定的参考价值。

 基于3D打印的
     船载无人机参数化设计

饶婕

桂林航天工业学院

摘要：

以降低船载无人机重量，提升船载无人机力学性能为目的，设计基于3D打印的船载无人机参数化设计方法。通过面向3D打印的SolidWorks软件建立以船载无人机结构柔度最小为目标，以体积、梯度等为约束条件的船载无人机参数确定模型；利用变权重变异鸽群优化算法，求解该模型，确定最小结构柔度对应的船载无人机参数；依据确定的参数，建立船载无人机的三维模型，并导入3D打印软件内；3D打印技术以分层处理的方式，完成船载无人机参数化设计。实践证明，该方法可有效确定船载无人机参数，建立船载无人机三维模型，有效完成船载无人机参数化设计。该方法设计的船载无人机最大应力较大，符合无人机结构刚度与强度等力学性能需求。

 复合翼eVTOL推力单元
     安装散热一体化设计

陈修贤、姚远、张宝柱、董明

上海沃兰特航空技术有限责任公司

摘要：

基于复合翼eVTOL推力单元散热需求，通过CFD分析了4种散热气道内空气的流速，选择满足散热需求的散热气道；设计推力单元和散热气道的安装结构，采用有限元方法计算电机臂和电机座的结构应变和应力，结果满足结构的强度要求。通过台架试验、地面压载试验和飞行试验，验证推力单元安装散热一体化设计的可行性，填补了国内复合翼eVTOL推力单元利用前行空气来流进行散热与安装设计的空白。

 基于证据理论和区间分析的
     eVTOL热失控安全性分析

王鹏、王晓聪、肖女娥、李勃阳

中国民航大学民航航空器适航审定技术重点实验室 中国民航大学科技创新研究院 中国民航大学中欧航空工程师学院

摘要：

为保证eVTOL的安全性，需要对锂电池的热失控问题进行安全性分析。针对锂电池热失控失效数据不足这一问题，提出一种基于证据理论和区间分析的安全性评估方法：对系统进行故障树建模；针对故障树分析中存在的底事件失效率不精确的问题，使用证据理论计算底事件失效概率区间，并结合区间理论对故障树顶事件进行计算；通过重要度分析，找出对顶事件影响最大的底事件。利用所提方法，对eVTOL电池热失控进行安全性分析并计算各底事件的重要度，从而为降低系统失效概率、提升系统安全性水平提供依据。

 电动垂直起降复合翼
     飞行器电机臂结构设计

陈修贤、董明、董文俊、吴韦志

上海沃兰特航空技术有限责任公司研发中心

摘要：

电动垂直起降复合翼飞行器的电机臂为关键的承载部件，在转换飞行阶段和反转换飞行阶段，飞行载荷复杂，研究其结构设计具有重要意义。本课题研究垂起、转换、固定翼飞行、反转换、降落飞行阶段电机臂承受的桨叶拉力、飞行过载载荷，在此载荷下设计双传力路径的电机臂结构，并在给定约束条件下进行电机座的结构优化；通过强度仿真分析对电机臂结构设计进行计算分析，确保电机臂上复合材料和金属零件的应力水平低于设计许用值；根据电机臂结构形式，设计试验加载方式，通过静强度试验和飞行试验，测量试验过程中的应变及变形，并与强度计算结果进行对比分析，以验证电机臂结构设计和计算结果的准确性。结果表明：本文设计的电动垂直起降复合翼飞行器电机臂满足刚度、强度、疲劳设计要求。

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