3D打印微机械器件，助力微纳力学表征
发布日期：2022-04-24
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研究背景
随着一维微纳米材料（诸如金属和半导体纳米线，碳纳米管，生物质微纤维等）的应用逐渐普及，人们对其机械性能和力学可靠性的充分了解变得越来越重要。尽管经历了数十年发展，迄今为止，在定量测试单个微纳一维材料方面依旧极具挑战性。近年来，基于微机电系统（MEMS, microelectromechanical system）的微器件已成为在高分辨率电子显微镜或光学显微镜下定量测试一维微纳米材料力学性质的有效工具，然而，这些现有的基于MEMS工艺的力学测试器件大部分基于传统的硅光刻微加工工艺，其制造过程复杂，研发周期长且验证成本十分昂贵。
创新研究
近期，香港城市大学机械工程系陆洋教授课题组利用先进的微纳3D打印技术，基于先前的设计（美国专利#US8058613B2）,研发并制造出可用于测试跨尺度的微纳米线原位力学测试微机械器件（MMD, micro-mechanical device）。研究者们基于面投影微立体光刻的3D打印系统（BMFTM nanoArch P130）制作了一系列微米级的高精度树脂基机械器件，其在外部力学测试仪（作为致动器和载荷传感器）的辅助下实现了在电镜和光镜下的微纳米线原位单轴拉伸测试。该研究工作发表于力学期刊Extreme Mechanics Letters。
总所周知，3D打印具有高度定制化的优势，该工作采用有限元法针对测试不同试样的需要，设计和优化不同器件材质及工艺，并可批量并行制造多种不同器件以达到最佳测试性能和结构稳定性。在该论文中，直径大小从纳米级到微米级碳化硅纳米线和锆钛酸铅（PZT）微米线分别在定制打印的MMD上进行了测试，成功展现了该方案的可行性以及高效性。
最重要的是，相对于传统的硅基器件试制和生产，基于高精度3D打印的微机械器件甚至微机电器件具有显著的低成本、易制造和高自由度等优势。并且，其客制化特性可极大丰富微纳米力学测试平台的本构材料灵活性和几何设计复杂性。对比于传统硅基器件,基于树脂材料的3D打印MMD能承受更大变形，使微观下的大变形力学测试的研究亦成为可能。此外，相较于硅器件随特征尺寸变大会变得更脆，3D打印树脂基MMD的韧性，刚度和大小有更大的可调控空间，可用于定制测试各种微米和亚微米级材料样品，例如生物原纤维、电纺聚合物纤维、微电子键合线等，极大地填补了目前介于纳米级和宏观高精度力学测试器械之间的一项空白。
香港城市大学机械工程系博士生王月皎和现西安电子科技大学机电工程学院副教授高立波为本论文共同一作。本工作得到香港城大-西电微纳制造联合实验室以及深圳市科技创新委基础研究基金等项目的支持。
图1 高精度面投影微立体光刻3D打印系统及其打印的微机械器件MMD
图2 实验设置及有限元仿真优化设计
图3 碳化硅SiC纳米线的原位SEM拉伸测试演示
原文链接：
Y Wang¹, L Gao¹, S Fan, W Zhou, X Li, Y Lu* “3D printed micro-mechanical device (MMD) for in situ tensile testing of micro/nanowires”Extreme Mechanics Letters 33,100575, 2019
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352431619302433
