2020年第1期第69卷 专题综述~■ 超轻质微点阵结构金属材料的研究进展 戴贵鑫,吴士平 (哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150001 摘要:概述了近年来轻质及超轻质微点阵结构金属材料的研究发展状况,包括材料的结构、 制备工艺、力学性能及应用情况,并在此基础上进行了归纳、整理,对超轻质微点阵结构金 属材料将来可能应用的领域进行预测,同时,对超轻质微点阵结构金属材料未来的研究与发 展进行了展望。 关键词:超轻质;多孔结构;金属;高比强度;微点阵结构 为了提高飞行器的服役性能,对航空航天领域所使用的金属材料提出了很高的 轻量化要求。在减震、传热与生物支架等方面,金属材料的轻质结构也有着极大的 应用前景。因此,轻质及超轻质多孔结构金属材料的硏究与开发对推动超轻材料的 发展,对航空航天及国民产业的推进具有重要而深远的科学意义和应用价值 般而言,我们将表观密度低于10mg/cm的材料定义为超轻质材料。超轻质 材料家族的成员目前还比较少,仅有气凝胶材料、泡沫聚合物材料以及泡沫金属材 料等。其中泡沫金属材料的表观密度处于10mgm的界限处,因此,关于超轻质金 属材料的硏究还有着很大的探索空间。在2011年,T.A. Schaedler的金属微点阵材料 研究为金属材料的超轻质化打开了一扇新的大门,此后,该类材料迅速成为超轻质 金属材料研究的热点 本硏究就轻质及超轻质多孔结构金属材料的硏究发展作了总结,包括材料的结 构设计、制备工艺以及力学性能等。希望通过对超轻质微点阵结构金属材料的发展 回顾,为该方面金属材料的探索提供相应的理论支持和硏究思路。 作者简介 戴贵鑫(1993-),男,博 1轻质及超轻质微点阵结构金属材料的结构与制备工艺 士生,主要研究方向为金 早在1948年B. Sosnik就通过气化汞的方法得到了泡沫铝材料,开辟了通过改变 属凝固及超轻质材料。金属成形的结构而改变金属表观密度从而制备轻质金属的先河。自此以后,泡沫金 E-mail:707390881@属的概念被广泛推广。由于泡沫金属表观密度远远小于同种金属而被广泛应用于对 表观密度有要求的领域。这类泡沫金属只能称为轻质材料 中图分类号:TG1132 随着对泡沫金属的深入硏究,由相互连通或闭合孔隙组成的泡沫金属结构被广 文献标识码:A 泛认知,其结构如图1所示。这些孔隙的大小、数量、均匀性、连通及封闭的状态 文章编号:1001-4977(2020) 材料性能造成影响。其中,主要參数包括孔径、总孔隙度和有效孔隙度 01-0001-10 孔度、表观密度及比表面积等 基金项目 根据制备工艺的特点,泡沫金属的制备可以分为三大类:基于金属熔体的液 国家自然科学基金态金属凝固法;基于金属粉末的固态金属烧结法;基于金属蒸气的金属沉积法。其 (51475120);航天先进中,液态金属凝固法包括渗流铸造法、熔体发泡法、熔模铸造法、气体注入法;固 制造技术研究联合基金态金属烧结法包括金属中空球烧结法、金属粉末烧结法、浆料烧结法;金属沉积法 (U1537201)。 包括气相蒸发沉积法、喷射夹气沉积法、喷雾夹带沉积法、电沉积法以 收稿日期 2019-05-13收到初稿 然而,这些泡沫金属孔隙结构的生成有着随机性,各方面的性能受到相当大的 019-10-05收到修订稿。 影响。因此,研究者们就轻质金属材料的结构方面进行了深入的设计研究,设计出
2020年 第1期/第69卷 专题综述 1 超轻质微点阵结构金属材料的研究进展 戴贵鑫，吴士平 （哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150001） 摘要：概述了近年来轻质及超轻质微点阵结构金属材料的研究发展状况，包括材料的结构、 制备工艺、力学性能及应用情况，并在此基础上进行了归纳、整理，对超轻质微点阵结构金 属材料将来可能应用的领域进行预测，同时，对超轻质微点阵结构金属材料未来的研究与发 展进行了展望。 关键词：超轻质；多孔结构；金属；高比强度；微点阵结构 作者简介： 戴贵鑫（1993-），男，博 士生，主要研究方向为金 属 凝 固 及 超 轻 质 材 料。 E-mail：707390881@ qq.com 中图分类号：TG113.2 文献标识码：A 文章编号：1001-4977 （2020） 01-0001-10 基金项目： 国家自然科学基金 （51475120）； 航 天 先 进 制造技术研究联合基金 （U1537201）。 收稿日期： 2019-05-13 收到初稿， 2019-10-05 收到修订稿。 为了提高飞行器的服役性能，对航空航天领域所使用的金属材料提出了很高的 轻量化要求。在减震、传热与生物支架等方面，金属材料的轻质结构也有着极大的 应用前景。因此，轻质及超轻质多孔结构金属材料的研究与开发对推动超轻材料的 发展，对航空航天及国民产业的推进具有重要而深远的科学意义和应用价值。 一般而言，我们将表观密度低于10 mg/cm3 的材料定义为超轻质材料[1]。超轻质 材料家族的成员目前还比较少，仅有气凝胶材料、泡沫聚合物材料以及泡沫金属材 料等。其中泡沫金属材料的表观密度处于10 mg/cm3 的界限处，因此，关于超轻质金 属材料的研究还有着很大的探索空间。在2011年，T. A. Schaedler的金属微点阵材料 研究为金属材料的超轻质化打开了一扇新的大门[1]，此后，该类材料迅速成为超轻质 金属材料研究的热点。 本研究就轻质及超轻质多孔结构金属材料的研究发展作了总结，包括材料的结 构设计、制备工艺以及力学性能等。希望通过对超轻质微点阵结构金属材料的发展 回顾，为该方面金属材料的探索提供相应的理论支持和研究思路。 1 轻质及超轻质微点阵结构金属材料的结构与制备工艺 早在1948年B.Sosnik[2]就通过气化汞的方法得到了泡沫铝材料，开辟了通过改变 金属成形的结构而改变金属表观密度从而制备轻质金属的先河。自此以后，泡沫金 属的概念被广泛推广。由于泡沫金属表观密度远远小于同种金属而被广泛应用于对 表观密度有要求的领域。这类泡沫金属只能称为轻质材料。 随着对泡沫金属的深入研究，由相互连通或闭合孔隙组成的泡沫金属结构被广 泛认知，其结构如图1[3]所示。这些孔隙的大小、数量、均匀性、连通及封闭的状态 都将对材料性能造成影响。其中，主要参数包括孔径、总孔隙度和有效孔隙度、通 孔度、表观密度及比表面积等[3]。 根据制备工艺的特点，泡沫金属的制备可以分为三大类：基于金属熔体的液 态金属凝固法；基于金属粉末的固态金属烧结法；基于金属蒸气的金属沉积法。其 中，液态金属凝固法包括渗流铸造法、熔体发泡法、熔模铸造法、气体注入法；固 态金属烧结法包括金属中空球烧结法、金属粉末烧结法、浆料烧结法；金属沉积法 包括气相蒸发沉积法、喷射夹气沉积法、喷雾夹带沉积法、电沉积法[3-5]。 然而，这些泡沫金属孔隙结构的生成有着随机性，各方面的性能受到相当大的 影响。因此，研究者们就轻质金属材料的结构方面进行了深入的设计研究，设计出
铸灬w专题综述 vol.69No.12020 了四棱锥、八面体、3D- Kagome!等多种有序三维 金属多孔结构,即金属点阵材料。为了得到这些有序 的多孔结构,研究者们开发了多种制备的方法,如熔 模铸造法、冲压成型法門、搭接拼装法、挤压线切 割法、金属丝编织法等。这些制备方法有着各自的 优点和不足,但均为超轻质微点阵结构金属材料的研 究奠定了有利的基础 随着快速成形技术的发展,3D打印以及相关技术 为有序多孔结构的设计制备提供了新的方式和方向 图!泡沫铝的典型结构特征 金属微点阵材料应运而生。2011年,英国利物浦大学 Fig. I Typical structural characteristics of aluminum foam 的 R. Mines等人利用SLM技术制作了以T6A1-4V国和不 锈钢为材料的微点阵结构材料,其结构均为以BCC (体心立方)结构为核心的单元格进而组成宏观结 构,其组成框架的圆柱结构均为实心,如图2所示 其中,每个单元格尺寸为25mm。另外,通过对单元 格的尺寸以及角度设计,将单元格结构扩展为BCCZ (带有Z轴方向垂直支柱的体心立方)结构和F2BCC 米 (带有两个对角面支柱的体心立方)结构。并且,通 过引入化学镀的方法对材料结构表面性能进行强化 同年,美国HRL实验室的TA. Schaedler等发表了 (a)实心单元格(b)宏观结构20mmx20mmx20m 关于制备超轻金属微点阵材料的研究。开创了超轻质 图2BCC结构 结构材料的新纪元,通过自蔓延光聚合物波导技术制 ig 2 BCC structure 作聚合物模板,并利用化学镀方法对模板表面施加镍 镀层,最后用化学刻蚀的方法去除内部聚合物,得到 光敏聚合物波 由空心镍管组成的金属微点阵材料。材料结构与BCC 光敏聚合物 结构相似,材料尺寸跨域了3个级别:从纳米级别的 镀层壁到微米级别的空心管再到毫米级别的单元格结 构型要素 构。制备方法与材料结构如图3所示 阵单元 空心管 空心管盟 之后,对聚合物模板的结构、圆柱尺寸和镀层厚 度进行了设计,并尝试在聚合物模板上镀铜、金、 陶瓷以及其他高分子物以得到多种材料的空心微点 阵材料。又通过控制上述合成条件制备了非晶态的镍 磷空心微点阵材料,并利用数值模拟设计了含有填 图3超轻镍基金属微点阵材料的制备方法与材料结构 充纳米多孔材料功能化(NMF)液体的金属空心微点 Fig. 3 Preparation method and material structure of ultralight 阵材料凹和四面体结构的空心微点阵材料。在此基 Ni-based microlattice materials 础上,通过电沉积的方法将纳米A-Mn合金层沉积在镍 磷空心微点阵结构上,以及通过包渗透的方法制备 了镍基高温合金的空心微点阵材料叫,进一步将材料 光束 种类进行了推广,并尝试制作了多层的复合金属材料 的微点阵结构11。另外,他们还将该制备手段运用到 聚光镜 了大型薄壁件的制作中,成功制作出了薄壁的火箭发 动机的推进器结构。 聚合含物模型 美国LLNL实验室的 Xiaoyu Zheng等人四运用微立D0D模瘦 光固化树脂 体光刻技术制作了以FCC(面心立方)结构为单元格的 聚合物微点阵模板,并同样使用化学镀方法制作了金 图4微立体光刻制备FCC结构聚合物模板 属镀层,再通过热分解的方法得到了金属空心微点阵 Fig 4 Preparation of FCC polymer templates by 材料。制备方法与材料结构如图4所示
2 专题综述 Vol.69 No.1 2020 了四棱锥[6]、八面体[7]、3D-Kagome[8]等多种有序三维 金属多孔结构，即金属点阵材料。为了得到这些有序 的多孔结构，研究者们开发了多种制备的方法，如熔 模铸造法[7]、冲压成型法[9]、搭接拼装法[10]、挤压线切 割法[11]、金属丝编织法[12]等。这些制备方法有着各自的 优点和不足，但均为超轻质微点阵结构金属材料的研 究奠定了有利的基础。 随着快速成形技术的发展，3D打印以及相关技术 为有序多孔结构的设计制备提供了新的方式和方向， 金属微点阵材料应运而生。2011年，英国利物浦大学 的R. Mines等人利用SLM技术制作了以Ti-6Al-4V[13]和不 锈钢[14]为材料的微点阵结构材料，其结构均为以BCC （体心立方）结构为核心的单元格进而组成宏观结 构，其组成框架的圆柱结构均为实心，如图2[14]所示。 其中，每个单元格尺寸为2.5 mm。另外，通过对单元 格的尺寸以及角度设计，将单元格结构扩展为BCCZ （带有Z轴方向垂直支柱的体心立方）结构和F2BCC （带有两个对角面支柱的体心立方）结构[15]。并且，通 过引入化学镀的方法对材料结构表面性能进行强化[16]。 同年，美国HRL实验室的T. A. Schaedler等[1]发表了 关于制备超轻金属微点阵材料的研究。开创了超轻质 结构材料的新纪元，通过自蔓延光聚合物波导技术制 作聚合物模板，并利用化学镀方法对模板表面施加镍 镀层，最后用化学刻蚀的方法去除内部聚合物，得到 由空心镍管组成的金属微点阵材料。材料结构与BCC 结构相似，材料尺寸跨域了3个级别：从纳米级别的 镀层壁到微米级别的空心管再到毫米级别的单元格结 构。制备方法与材料结构如图3所示。 之后，对聚合物模板的结构、圆柱尺寸和镀层厚 度进行了设计[17-18]，并尝试在聚合物模板上镀铜、金、 陶瓷以及其他高分子物[19]以得到多种材料的空心微点 阵材料。又通过控制上述合成条件制备了非晶态的镍 磷空心微点阵材料[20]，并利用数值模拟设计了含有填 充纳米多孔材料功能化（NMF）液体的金属空心微点 阵材料[21]和四面体结构的空心微点阵材料[22]。在此基 础上，通过电沉积的方法将纳米Al-Mn合金层沉积在镍 磷空心微点阵结构上[23]，以及通过包渗透的方法制备 了镍基高温合金的空心微点阵材料[24]，进一步将材料 种类进行了推广，并尝试制作了多层的复合金属材料 的微点阵结构[25]。另外，他们还将该制备手段运用到 了大型薄壁件的制作中，成功制作出了薄壁的火箭发 动机的推进器结构[26]。 美国LLNL实验室的Xiaoyu Zheng等人[27]运用微立 体光刻技术制作了以FCC（面心立方）结构为单元格的 聚合物微点阵模板，并同样使用化学镀方法制作了金 属镀层，再通过热分解的方法得到了金属空心微点阵 材料。制备方法与材料结构如图4所示。 图1 泡沫铝的典型结构特征 Fig. 1 Typical structural characteristics of aluminum foam （a）实心单元格 （b）宏观结构20 mm×20 mm×20 mm 图2 BCC结构 Fig. 2 BCC structure 图3 超轻镍基金属微点阵材料的制备方法与材料结构 Fig. 3 Preparation method and material structure of ultralight Ni-based microlattice materials 图4 微立体光刻制备FCC结构聚合物模板 Fig. 4 Preparation of FCC polymer templates by microstereoscopic lithography 光敏聚合物波导 光敏聚合物 蒙版 化学院 树脂刻蚀
2020年第1期俤69卷 专题综述~店□ 加拿大西安大略大学的 Yang Jun等人使用i3DP技术 制作了以六面体及FCC结构四为单元格的微点阵模板 (图5),同样利用化学镀的方法制备金属镀层,最后 用化学刻蚀的方法去除聚合物模板,从而得到金属空 心微点阵材料。 国内对此的研究比较少,四川大学的 Jianjun Bao等 人剛以三聚氰胺泡沫为模板通过化学镀银的方法获得 图5i3DP模板:FCC结构与六面体结构 泡沫银;天津大学的姜斌利用银镜反应在日用清洁 Fig 5 13DP template: FCC structureand hexahedral structure 泡沫(三聚氰胺泡沫)上制备银薄层,并在此基础上 以无钯活化化学镀的方法制作了银、镍、钴、铜等多 种超轻泡沫金属宏观结构,如图6所示。 北京航空航天大学的 Yang Qinglin等人用3D打印的 方法直接制备了金刚石结构的微点阵模板,并用化学 镀方法对表面施镀Ni-P和NiP金刚石微粒,最终 获得了超轻质结构金属微点阵材料,如图7所示 先进材料制备技术的发展为结构材料轻质化提供 了更多的发展空间,国内外材料研究者们对超轻质结 构金属材料的研究抱有极大的热情和期待。表1为常见(A)化学镀银后三聚氯胺泡沫;(B)泡沫银;(C)泡沫镍 的超轻质微点阵结构材料的结构和制备方法。表2为国 (D)泡沫钴;(E)泡沫铜 内外对于金属微点阵材料的硏究现况 图6超轻泡沫金属样 例如:熔融沉积成形技术是以丝状的PLA、ABS Fig. 6 Ultralight metal foam samples 等热塑性材料为原料,经高温熔化成液态,然后通过 喷嘴挤压岀许多很小的球状颗粒,这些颗粒在喷岀后 会立即固化,固化的颗粒在计算机的控制下逐层堆 积,在立体空间中进行排列组合,最终形成实物。 其原理见图8,采用这种方法制备微点阵材料模板,再 结合化学镀方法,最后通过热分解方法去除模板制备 的超轻材料,其技术成熟度高,成本较低,但打印 精度低,热塑性模板尺寸较大,热分解过程对镀层破 坏较严重。其制备方法为熔融沉积成形技术的发展提 Ni-P (b)NiP金刚石微粒 供了新的思路。 7金刚石结构微点阵材料 Fig. 7 Diamond structured microlattice materials 表1常见的超轻质微点阵结构材料的结构和制备方法 Table 1 Common structure and preparation methods of ultralight metal structural materials 制备方法 单元格结构 几何结构 材料种类 熔融沉积成形 D结构 任意支撑结构 热塑性材料 选择性激光熔化成形 3D结构 任意支撑结构 属、聚合物材料 电子束熔化成形 3D结构 任意支撑结构 金属材料 物材料 金属丝编织成形 3D结构 任意结构 、聚合物材料 冲压挤压成形 3D结构 阵中心受限 金属、聚合物材料 光敏聚合物波导成形 3D结构 点阵扩展受限 光敏聚合物材料 投影微立体光刻成形 3D结构 任意结构 光敏聚合物材料 电泳沉积 准3D结构 准平面结构受限 金属、陶瓷、聚合物 浆料直写成形 壬意支撑结构 金属、陶瓷、聚合物
2020年 第1期/第69卷 专题综述 3 加拿大西安大略大学的Yang Jun等人使用i3DP技术 制作了以六面体[28]及FCC结构[29]为单元格的微点阵模板 （图5），同样利用化学镀的方法制备金属镀层，最后 用化学刻蚀的方法去除聚合物模板，从而得到金属空 心微点阵材料。 国内对此的研究比较少，四川大学的Jianjun Bao等 人[30]以三聚氰胺泡沫为模板通过化学镀银的方法获得 泡沫银；天津大学的姜斌[31-33]利用银镜反应在日用清洁 泡沫（三聚氰胺泡沫）上制备银薄层，并在此基础上 以无钯活化化学镀的方法制作了银、镍、钴、铜等多 种超轻泡沫金属宏观结构，如图6所示。 北京航空航天大学的Yang Qinglin等人用3D打印的 方法直接制备了金刚石结构的微点阵模板，并用化学 镀方法对表面施镀Ni-P[34]和Ni-P-金刚石微粒[35]，最终 获得了超轻质结构金属微点阵材料，如图7所示。 先进材料制备技术的发展为结构材料轻质化提供 了更多的发展空间，国内外材料研究者们对超轻质结 构金属材料的研究抱有极大的热情和期待。表1为常见 的超轻质微点阵结构材料的结构和制备方法。表2为国 内外对于金属微点阵材料的研究现况。 例如：熔融沉积成形技术是以丝状的PLA、ABS 等热塑性材料为原料，经高温熔化成液态，然后通过 喷嘴挤压出许多很小的球状颗粒，这些颗粒在喷出后 会立即固化，固化的颗粒在计算机的控制下逐层堆 积，在立体空间中进行排列组合，最终形成实物[36]。 其原理见图8，采用这种方法制备微点阵材料模板，再 结合化学镀方法，最后通过热分解方法去除模板制备 的超轻材料，其技术成熟度高，成本较低[37]，但打印 精度低，热塑性模板尺寸较大，热分解过程对镀层破 坏较严重。其制备方法为熔融沉积成形技术的发展提 供了新的思路。 图5 i3DP模板：FCC结构与六面体结构 Fig. 5 i3DP template：FCC structureand hexahedral structure （A）化学镀银后三聚氰胺泡沫；（B）泡沫银；（C）泡沫镍； （D）泡沫钴；（E）泡沫铜 图6 超轻泡沫金属样 Fig. 6 Ultralight metal foam samples （a）Ni-P （b）Ni-P-金刚石微粒 图7 金刚石结构微点阵材料 Fig. 7 Diamond structured microlattice materials 表1 常见的超轻质微点阵结构材料的结构和制备方法 Table 1 Common structure and preparation methods of ultralight metal structural materials 制备方法 熔融沉积成形 选择性激光熔化成形 电子束熔化成形 立体光刻成形 搭接拼装成形 金属丝编织成形 冲压/挤压成形 光敏聚合物波导成形 投影微立体光刻成形 电泳沉积 浆料直写成形 单元格结构 3D结构 3D结构 3D结构 3D结构 3D结构 3D结构 3D结构 3D结构 3D结构 准3D结构 准3D结构 几何结构 任意支撑结构 任意支撑结构 任意支撑结构 结构角度受限 任意结构 任意结构 点阵中心受限 点阵扩展受限 任意结构 准平面结构受限 任意支撑结构 材料种类 热塑性材料 金属、聚合物材料 金属材料 聚合物材料 金属、陶瓷、聚合物 金属、聚合物材料 金属、聚合物材料 光敏聚合物材料 光敏聚合物材料 金属、陶瓷、聚合物 金属、陶瓷、聚合物
铸灬w专题综述 vol.69No.12020 选择性激光熔化成形技术是激光快速成形制造领 表2国内外对于金属微点阵材料的研究现况 域中最具发展潜力的技术之一,该技术可以追溯到20 Table 2 Research status of metal microlattice materials at home and abroad 世纪80年代,将3D模型切片后,在充满待烧结的材 料粉末的容器内,采用高功率密度的激光束从最底层 国家 成果数目 的3D切片开始直接熔化金属粉末;接着平台下移,材 英国 利物浦大学 HRL实验室 料辊在已烧结部分再铺上薄薄的一层材料粉末进行烧 美国 LLNL实验室 结;如此往复,直到整体成形,进而获得具有冶金结 加拿大 西安大略大学 合、相对密度接近100%、结构复杂、尺寸精度高的金 中国 四川大学 属零件吲。其原理如图9所示。成形材料的单种金属粉 121 中国 天津大学 末,主要包括铁基合金、镍基高温合金、钴-铬合金 钛合金、铝合金以及贵重金属。利用选择性激光熔 中国北京航空航天大学 化技术能够直接打印空心微点阵金属材料,其方法快 捷简单,省去了模板打印以及化学镀过程,但由于激 扫描系统 光束尺寸的限制以及本身存在着打印粉末球化等问 题,其引起的孔隙及裂纹缺陷在超轻质微点阵结构金 属材料中更为突显,极大地降低了材料的性能和制备 成功率,因此,这种方法一般用来打印实心微点阵材 料,这对材料的表观密度存在极大不利影响。因此, 改善设备稳定性,提高粉末的综合性能等问题是该技 术进一步发展的方向。 立体光刻成形技术,又叫做光固化成形技术 8熔融沉积成形技术原理图 是制备微点阵金属材料最广泛应用的方法。它是利用 Fig. Schematic diagram of fused deposition modeling technology 紫外激光逐层扫描液态的光敏树脂,引发聚合反应 激光会沿着零件预先切片分层扫描截面轮廓,并对液 送丝轮 态树脂进行逐点扫描。被扫描到的树脂薄层在聚合反 喷头 应作用下由点逐渐形成线,最终形成零件的一个薄层 X-Y动作 的固化截面,而未被扫描到的树脂保持原来的液态。 送丝方向 执 随着该层固化后,平台移动,开始固化下一层,如此 往复,直到最终成形。其原理如图10所示。因此 基底成形零件 喷嘴 对于立体光刻成形技术的研究来说,光敏树脂的研究 支撑 占据着重要地位。目前主要使用的树脂包括不饱和聚 酯(粘度适宜,易固化成形,抗冲击性能及硬度不理 想,易收缩),聚酯丙烯酸酯(因光固化速率慢、硬 图9选择性激光熔化技术原理图 度不高,不能广泛应用),聚氨酯丙烯酸酯(韧性 Fig 9 Schematic diagram of selective laser melting technology 好、耐磨性高,但综合性能不佳,应用规模小),环 氧丙烯酸酯(粘结强度大、硬度高、耐化学药品腐蚀 送粉系 性强,应用最广、用量最大)叫。利用立体光刻成形 技术制备超轻质材料的方法与熔融沉积成形技术相 似,均是与化学镀方法相结合,最后通过去除聚合物 模板得到超轻质微点阵结构金属材料。这类方法相较 口保护气体 于熔融沉积成形技术,对打印精度有很大的提升,可 以制备岀尺寸较小的聚合物模板,极大地降低了材料 剩余粉末 回真空系统 的表观密度。但这种方法的发展依赖于对光敏树脂的 金属基板 研究,选择一种固化速率、粘结强度适宜又易于去除 的光敏树脂是未来研究的重要方向。 图10光固化立体造形技术原理图 除此之外,利用自然生物的3D微纳周期结构作Fig-10 Schematic diagram of stereo lithography apparatus technology
4 专题综述 Vol.69 No.1 2020 选择性激光熔化成形技术是激光快速成形制造领 域中最具发展潜力的技术之一，该技术可以追溯到20 世纪80年代，将3D模型切片后，在充满待烧结的材 料粉末的容器内，采用高功率密度的激光束从最底层 的3D切片开始直接熔化金属粉末；接着平台下移，材 料辊在已烧结部分再铺上薄薄的一层材料粉末进行烧 结；如此往复，直到整体成形，进而获得具有冶金结 合、相对密度接近100%、结构复杂、尺寸精度高的金 属零件[38]。其原理如图9所示。成形材料的单种金属粉 末，主要包括铁基合金、镍基高温合金、钴-铬合金、 钛合金、铝合金以及贵重金属[39]。利用选择性激光熔 化技术能够直接打印空心微点阵金属材料，其方法快 捷简单，省去了模板打印以及化学镀过程，但由于激 光束尺寸的限制以及本身存在着打印粉末球化等问 题，其引起的孔隙及裂纹缺陷在超轻质微点阵结构金 属材料中更为突显，极大地降低了材料的性能和制备 成功率，因此，这种方法一般用来打印实心微点阵材 料，这对材料的表观密度存在极大不利影响。因此， 改善设备稳定性，提高粉末的综合性能等问题是该技 术进一步发展的方向。 立体光刻成形技术，又叫做光固化成形技术， 是制备微点阵金属材料最广泛应用的方法。它是利用 紫外激光逐层扫描液态的光敏树脂，引发聚合反应， 激光会沿着零件预先切片分层扫描截面轮廓，并对液 态树脂进行逐点扫描。被扫描到的树脂薄层在聚合反 应作用下由点逐渐形成线，最终形成零件的一个薄层 的固化截面，而未被扫描到的树脂保持原来的液态。 随着该层固化后，平台移动，开始固化下一层，如此 往复，直到最终成形[40]。其原理如图10所示。因此， 对于立体光刻成形技术的研究来说，光敏树脂的研究 占据着重要地位。目前主要使用的树脂包括不饱和聚 酯（粘度适宜，易固化成形，抗冲击性能及硬度不理 想，易收缩），聚酯丙烯酸酯（因光固化速率慢、硬 度不高，不能广泛应用），聚氨酯丙烯酸酯（韧性 好、耐磨性高，但综合性能不佳，应用规模小），环 氧丙烯酸酯（粘结强度大、硬度高、耐化学药品腐蚀 性强，应用最广、用量最大）[41]。利用立体光刻成形 技术制备超轻质材料的方法与熔融沉积成形技术相 似，均是与化学镀方法相结合，最后通过去除聚合物 模板得到超轻质微点阵结构金属材料。这类方法相较 于熔融沉积成形技术，对打印精度有很大的提升，可 以制备出尺寸较小的聚合物模板，极大地降低了材料 的表观密度。但这种方法的发展依赖于对光敏树脂的 研究，选择一种固化速率、粘结强度适宜又易于去除 的光敏树脂是未来研究的重要方向。 除此之外，利用自然生物的3D微纳周期结构作 图8 熔融沉积成形技术原理图 Fig. 8 Schematic diagram of fused deposition modeling technology 图9 选择性激光熔化技术原理图 Fig. 9 Schematic diagram of selective laser melting technology 图10 光固化立体造形技术原理图 Fig. 10 Schematic diagram of stereo lithography apparatus technology 表2 国内外对于金属微点阵材料的研究现况 Table 2 Research status of metal microlattice materials at home and abroad 国家 英国 美国 美国 加拿大 中国 中国 中国 机构 利物浦大学 HRL实验室 LLNL实验室 西安大略大学 四川大学 天津大学 北京航空航天大学 成果数目 5 23 1 2 1 3 2 扫描系统 工作台 缸 光敏树脂 送丝轮 送丝方向 基底 成形零件 Z轴动作 支撑 喷嘴 加热器 喷头 X-Y动作 激光器 扫描系统 送粉系统 铺粉辊 剩余粉末 金属基板 真空系统 保护气体 保护镜 松散粉末 SLM零件
2020年第1期第69卷 专题综述~店□ 为新材料的模版,在保留生物结构的基础上用金属替对于表观密度的降低做岀了相当大的贡献。孔隙度也 换部分组元,获得具有生物结构的金属微纳材料也是是一项必须考察的材料指标,其对材料的力学性能也 超轻质微点阵结构金属材料的一大硏究方向。目前,有着很大的影响。随着孔隙度的增加,材料的力学性 上海交通大学就利用蝶翅鳞片这一自然界中具有能与能量吸收能力会下降,但能量吸收效率会升高 百万种不同鳞片结构的自然结构作为模板,釆用化学对于上述的材料来说,孔隙度均能被设计 方法,制备岀金属基的蝶翅鳞片结构的仿生材料,并 多孔材料的抗压能力是首先需要测试的性能,压 利用其遗态特点,研究其与自然蝶翅相类似的光学性缩应力和应变是反映材料抗压能力的两个重要指标。 能,并希望将其应用于癌细胞荧光成像、电荷分离 对于这类材料来说,压缩曲线一般有两种:一种是 太阳能电池等领域。这一制备方法,极大地开阔了超典型的韧性金属压缩性能曲线,一种是脆性金属压缩 轻质微点阵结构金属材料的设计思路。超轻质微点阵性能曲线。压缩性能曲线主要有三个阶段:弹性变形 结构金属材料的未来不仅仅可以人为设计点阵结构,区、压缩平台区和致密区,如图11所示 还可以利用自然界中千百年进化而来的生物结构,根 金属泡沫的压缩强度能达到10MPa以上,并且会 据仿生思路设计材料结构 随着孔隙度的增加有所降低,但压缩平台只能够在不 超过50%的应变内保持不变。金属微点阵材料的 2超轻质微点阵结构金属材料的性能压缩强度并不很高,与其表观密度成正比,一般只有 对于超轻质微点阵结构金属材料来说,其性能1~20kPa,但其压缩平台能够维持在50%应变以上,并 主要的关注点是表观密度、抗压性能以及抗冲击性能且随着表观密度的降低而增加叫。此外,金属微点阵 等。为此,我们将近年来金属微点阵结构材料的研究材料还有着优良的回复能力,能够在超过50%以上的压 情况进行了总结(表3)。 缩下回复到初始状态 表观密度是衡量超轻质金属材料的重要指标,对 断裂分析是力学性能研究的重要部分,对提高材 材料的力学性能有着很大的影响。对于一般的泡沫金料质量、改进制备方法等方面具有重要的意义。无论 属材料来说,其最低表观密度也刚刚能达到10mg/cm3是泡沫金属材料还是金属微点阵材料,其抗压测试的 的界限,而制备条件却相当苛刻。可设计结构的金断裂无外乎韧性断裂和脆性断裂两种。对于泡沫金属 属点阵材料其表观密度也多数在10mg/cm3之上,空来说,影响其断裂情况的原因一般是材料的本身以及 心基材的微点阵金属材料的表观密度却能达到10mg/环境温度,比如纯铝泡沫以弯曲为主,铝合金泡沫会 cm以下,甚至达到09mg/cm。可想而知,空心基材出现局部断裂;室温下锌铝泡沫的断裂方式是撕裂 表3金属微点阵结构材料的性能汇总表 Table 3 Performance summary of metal microlattice structural materials 材料类型 表观密度p/(gcm3)抗压强度 O/MPa压缩平台%断裂性质能量吸收效率n/% BCC结构:T-6A-4V 5~10 62脆性断裂 实心微晶格 BCC结构:A 0.178 BCC结构:不锈钢 0.2-8 50-~80韧性断裂 BCC结构:NP12到 0.001 0.000027~12 脆/韧性断裂 0.0001-0.001 BCC结构:Au BCC结构:非晶态NP 0.0002~002 脆/韧性断裂 BCC结构:NMF液体填充 FCC结构:Ni-P 0.0025-0.05 六面体结构:CP 空心微晶格四面体 sandwich结构:NiP21 四面体- sandwich结构:AMn 脆性断裂 金刚石结构:Ni-P叫 0.0190.04 金刚石结构:NiP金刚石 0.~1.75 超轻泡沫:Ap 0.001-0.01 超轻泡沫:NiAN三层 0.001~0.004 超轻泡沫:CoA双层即 00127 0.001-0.002
2020年 第1期/第69卷 专题综述 5 为新材料的模版，在保留生物结构的基础上用金属替 换部分组元，获得具有生物结构的金属微纳材料也是 超轻质微点阵结构金属材料的一大研究方向。目前， 上海交通大学[42-44]就利用蝶翅鳞片这一自然界中具有 百万种不同鳞片结构的自然结构作为模板，采用化学 方法，制备出金属基的蝶翅鳞片结构的仿生材料，并 利用其遗态特点，研究其与自然蝶翅相类似的光学性 能，并希望将其应用于癌细胞荧光成像、电荷分离、 太阳能电池等领域。这一制备方法，极大地开阔了超 轻质微点阵结构金属材料的设计思路。超轻质微点阵 结构金属材料的未来不仅仅可以人为设计点阵结构， 还可以利用自然界中千百年进化而来的生物结构，根 据仿生思路设计材料结构。 2 超轻质微点阵结构金属材料的性能 对于超轻质微点阵结构金属材料来说，其性能 主要的关注点是表观密度、抗压性能以及抗冲击性能 等。为此，我们将近年来金属微点阵结构材料的研究 情况进行了总结（表3）。 表观密度是衡量超轻质金属材料的重要指标，对 材料的力学性能有着很大的影响。对于一般的泡沫金 属材料来说，其最低表观密度也刚刚能达到10 mg/cm3 的界限，而制备条件却相当苛刻[45-46]。可设计结构的金 属点阵材料其表观密度也多数在10 mg/cm3 之上[47]，空 心基材的微点阵金属材料的表观密度却能达到10 mg/ cm3 以下，甚至达到0.9 mg/cm3[1]。可想而知，空心基材 对于表观密度的降低做出了相当大的贡献。孔隙度也 是一项必须考察的材料指标，其对材料的力学性能也 有着很大的影响。随着孔隙度的增加，材料的力学性 能与能量吸收能力会下降，但能量吸收效率会升高。 对于上述的材料来说，孔隙度均能被设计。 多孔材料的抗压能力是首先需要测试的性能，压 缩应力和应变是反映材料抗压能力的两个重要指标。 对于这类材料来说，压缩曲线一般有两种[48]：一种是 典型的韧性金属压缩性能曲线，一种是脆性金属压缩 性能曲线。压缩性能曲线主要有三个阶段：弹性变形 区、压缩平台区和致密区，如图11所示。 金属泡沫的压缩强度能达到10 MPa以上，并且会 随着孔隙度的增加有所降低，但压缩平台只能够在不 超过50%的应变内保持不变[49-50]。金属微点阵材料的 压缩强度并不很高，与其表观密度成正比，一般只有 1~20 kPa，但其压缩平台能够维持在50%应变以上，并 且随着表观密度的降低而增加[31]。此外，金属微点阵 材料还有着优良的回复能力，能够在超过50%以上的压 缩下回复到初始状态[1]。 断裂分析是力学性能研究的重要部分，对提高材 料质量、改进制备方法等方面具有重要的意义。无论 是泡沫金属材料还是金属微点阵材料，其抗压测试的 断裂无外乎韧性断裂和脆性断裂两种。对于泡沫金属 来说，影响其断裂情况的原因一般是材料的本身以及 环境温度，比如纯铝泡沫以弯曲为主，铝合金泡沫会 出现局部断裂[51]；室温下锌铝泡沫的断裂方式是撕裂 表3 金属微点阵结构材料的性能汇总表 Table 3 Performance summary of metal microlattice structural materials 材料类型 BCC结构：Ti-6Al-4V[66-67] BCC结构：Al[50] BCC结构：不锈钢[68-70] BCC结构：Ni-P[17-18,52-53] BCC结构：Cu[19] BCC结构：Au[19] BCC结构：非晶态Ni-P[20] BCC结构：NMF液体填充[21] FCC结构：Ni-P[29] 六面体结构：Cu[28] 四面体-sandwich结构：Ni-P[22] 四面体-sandwich结构：Al-Mn[23] 金刚石结构：Ni-P[34] 金刚石结构：Ni-P-金刚石[35] 超轻泡沫：Al[31] 超轻泡沫：Ni/Al/Ni三层[33] 超轻泡沫：Co/Al双层[32] 表观密度ρ/（g·cm-3） 4.43~ 0.178~ 2.16~ 0.001~ 8.9~ 19.3~ 0.008~ - 0.040 3~ 0.007 2~ 0.029~ 0.01~ 0.038~ 0.235~ 0.018 7~ 0.007 4~ 0.012 7~ 抗压强度σbc /MPa 5~10 2.12 0.2~8 0.000 027~12 0.000 1~0.001 0.001 0.000 2~0.02 0.6 0.002 5~0.05 - 1.3~4.3 0.3~1 0.019~0.04 0.1~1.75 0.001~0.01 0.001~0.004 0.001~0.002 压缩平台/% ~62 ~72 50~80 ~50 - - - ~60 ~50 ~50 - - ~75 ~40 ~80 ~82 ~87 断裂性质 脆性断裂 - 韧性断裂 脆/韧性断裂 - - 脆/韧性断裂 - - - - 脆性断裂 - - - - - 能量吸收效率η/% 50~70 ~55 50~ 54~ - - - ~80 ~80 - - - ~70 ~50 ~90 ~98 ~90 实心微晶格 空心微晶格