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(jī)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(gè)微納一維材料方面依舊具挑戰(zhàn)性。近年來，基于微機(jī)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(yàn)證成本十分昂貴。

創(chuàng)新研究

近期，香港城市大學(xué)機(jī)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(jì)（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(jī)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(jī)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(shí)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(jì)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(dá)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(jìn)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(jī)械器件甚至微機(jī)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(jì)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(bǔ).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(xiàng)空白。   

香港城市大學(xué)機(jī)械工程系博士生王月皎和現(xiàn)西安電子科技大學(xué)機(jī)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(shí)驗(yàn)室以及深圳市科技創(chuàng)新委基礎(chǔ)研究基金等項(xiàng)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(jī)械器件MMD

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置及有限元仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)

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