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2021年  第3卷  第2期

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综述
进一步理解极端制造过程中的脆塑性转变
张涛, 姜峰, 黄辉, 陆静, 吴跃勤, 姜正义, 徐西鹏
2021, 3(2). doi: 10.1088/2631-7990/abdfd7
摘要:

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1.文章导读

根据切屑形貌、加工表面质量以及亚表面损伤状态,可将材料的去除模式分为脆性去除和塑性去除。当加工条件发生改变时材料的脆塑性去除模式将随之发生转变。脆塑转变广泛的存在于涉及到极小变形尺度的制造、激光辅助加工以及高速加工等极端制造工艺。全面的理解脆塑转变机制,合理的利用材料的脆塑转变对提高加工表面的完整性、加工效率以及延长产品寿命具有重要意义。近期,华侨大学与伍伦贡大学联合培养博士生张涛,华侨大学制造工程研究院、脆性材料产品智能制造技术国家地方联合工程研究中心姜峰教授、黄辉教授、陆静教授、吴跃勤教授、徐西鹏教授,和伍伦贡大学机械,材料,机电和生物医学工程学院姜正义教授《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上共同发表《进一步理解极端制造过程中的脆塑性转变》的综述。如图1所示,文章系统的综述了极端制造工艺中温度升高和变形尺度减小所诱导的脆-塑转变,以及晶粒尺寸减小和应变率提高所诱导的塑-脆性转变,总结了脆塑转变的实质,并分析了如何借助加工过程的脆塑转变进一步提高材料的可加工性和加工质量。

图1 极端制造过程的脆塑转变

2.最新进展

本文首先介绍了极端制造过程中的脆塑转变现象,主要涉及单点金刚石车削以及超精密磨削等具有极小变形尺度的制造工艺、激光辅助加工和高速加工。然后对极端制造过程中脆塑转变的机制进行了综述,主要包含变形尺度减小诱导的脆-塑转变、变形温度升高导致的脆-塑转变、晶粒细化诱导的塑-脆转变以及变应变率升高诱导的塑-脆转变。

变形尺度减小诱导脆-塑转变机制:一些离子键、共价键材料由于键能较高,导致塑性变形较为困难,这些材料在常规变形尺度通常表现出明显的脆性失效特征。当变形尺度减小,变形区域包含缺陷的概率减低,位错激活将早于裂纹扩展,从而使得这一类材料在极小变形尺度时表现出明显的塑性行为。同时,随着变形尺度的减小,应力强度因子将会小于断裂韧性从而诱导脆-塑转变的发生。

变形温度升高诱导脆-塑转变机制:在常温条件下表现出脆性断裂失效的共价键、离子键材料,当变形温度升高时将会表现出明显的塑性行为。变形温度升高诱导的脆-塑转与材料的热激活有关。温度升高加剧了固体材料内部原子的振动, 变形区域原子克服能量壁垒发生相对滑移将会变得更加容易。随着应力的增加,塑性变形将会先于脆性断裂发生,从而诱导脆-塑转变的发生。

晶粒尺寸减小诱导塑-脆转变:白层是加工过程中常见的现象,尤其对于高速加工而言。白层区域的材料具有明显的晶粒细化现象,但晶粒尺寸通常大于100 nm。一般而言,随着晶粒细化程度的增加,材料的屈服强度升高,但失效应变减小,也即随着晶粒的细化程度的增加,材料发生了脆化。晶粒细化是高速加工过程中塑-脆转变的一个重要原因。

应变率升高诱导塑-脆转变:应力波理论为应变率升高诱导的塑-脆转变提供了一种解释。由于卸载波的作用,材料在承受冲击载荷时将表现出明显的变形局部化现象。当冲击速度高于塑性波速时,塑性材料将发生伪脆现象。这种卸载波通常有两种形式,第一种是冲击载荷卸载诱导的弹性波,另一种为反射弹性波。

图2 卸载波对变形分布的影响(a)反射波诱导的卸载波 (b)冲击载荷卸载诱导的卸载波

位错移动理论为应变率升高诱导的塑-脆转变提供了另外一种理论解释。位错移动理论指出随着加载速度的增加,位错相对于载荷的速度将会趋向于零。当加载速度足够高时,位错在塑性材料内部将不能移动,也即发生了塑-脆转变。应变率升高诱导的塑-脆转变是高速加工过程发生塑-脆转变的另一个重要原因。

本文指出脆塑转变的实质是塑性变形与裂纹扩展相互竞争的结果,这种关系可用图3所示的衔尾蛇图案表示。该图案灵感源于中国于1989年发行的第一轮生肖邮票之“蛇”,寓意着脆性和塑性都体现了材料的本征属性,你中有我,我中有你,可以在一定条件下互相转化。通过改变外部变形环境可以使被加工材料的塑性或脆性发生改变,使之与具体加工过程相匹配,实现具有特定目的的加工。对于脆性较大的材料而言,可通过减小变形尺度、提高变形温度实现无损伤加工。对于塑性较大的材料而言,通过提高加工速度,可减小加工区域材料的变形程度,进而降低变形力和加工温度,提高加工表面质量等。

图3 脆性与塑性之间的相互转化

3.未来展望

加工过程材料的脆塑性转变通常受多因素共同影响,且各因素之间存在耦合作用。然而大多数研究通常只关注单因素的影响,使得现有研究不能与实际制造过程建立起有效的联系。因此更多的研究应该关注于多因素耦合作用下材料的脆塑性转变机制。随着高速加工、多能场辅助加工等先进制造技术的涌现,加工过程材料的脆塑转变相关研究面临更多的挑战。传统的准静态、微纳尺度的试验技术不能够提供与实际加工过程相匹配的试验条件,迫切需要开发与之适用的试验技术。需要特别指出,磁场、化学场等能场作用下材料的脆塑转变应该得到更多的重视以促进能场辅助加工技术的发展。

增材制造的缺陷检测技术
陈垚, 彭星, 孔令豹, 董光熙, Afaf Remani, Richard Leach
2021, 3(2). doi: 10.1088/2631-7990/abe0d0
摘要:

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1.文章导读

增材制造(AM)技术被认为是航空航天和国防工业中最有前途的制造技术之一。但是,AM组件在加工过程中会产生各种缺陷,例如粉末结块,球化,孔隙,内部裂纹等。这些缺陷会严重影响最终零件的质量、机械性能和安全性。因此,缺陷检测对于减少制造缺陷,改善AM组件的表面质量和机械性能非常重要。AM检测方法可分为传统的非破坏性缺陷检测技术和基于机器学习的缺陷检测技术。传统检测技术是对AM过程中的材料监控,它可以通过检测特征量来关注材料的异常现象,并对缺陷的发生具有一定的预测作用。随着缺陷检测技术日新月异的发展,现如今的无损检测技术已经从红外成像缺陷检测,渗透剂检测和涡流法发展到超声检测和X射线检测。近年来机器学习缺陷检测已成为一种使用先进设备成像和深度学习方法进行缺陷识别的高效技术手段。但是在AM领域,机器学习检测技术仍处于起步阶段。近期,复旦大学超精密光学制造工程技术研究中心的孔令豹研究员团队以及英国诺丁汉大学的Richard Leach教授团队《极端制造》期刊International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上共同发表《增材制造的缺陷检测技术》的综述,系统介绍了缺陷检查技术及其在AM过程中的应用。归纳了AM过程中的缺陷体系结构。总结了传统的缺陷检测技术和基于深度学习的表面缺陷检测方法,并提出了今后的发展方向。

亮点:这项研究的目的是总结AM过程中不同类别的缺陷和缺陷检测技术,包括:

● 详细介绍了一般AM过程中出现的各类缺陷,并总结传统缺陷检测技术。

● 讨论了多种机器学习缺陷检测技术,并介绍了一些最新的缺陷检测手段。

● 讨论了AM缺陷检测技术的未来前景,包括数据集的分析和改进,图像采集方法和检测方案设计等方面。

2.研究背景

自1990年代增材制造(AM)技术发展的以来(当时AM被称为“快速原型技术”),研究人员依靠各种快速原型制造方法来制备非金属零件。此后,通过后续改进实现了金属零件的制备。与传统的金属零件制造技术(例如锻造加工,锻造和焊接)相比,AM技术具有无需工具和模具,材料利用率高,产品制造周期短以及易实现复杂结构制造的优势。尽管AM技术在机械性能方面取得了很大的成就,但工业上实际采用的组件仍然受到缺陷和精度的限制。AM组件在制造工艺中常出现以下缺陷,例如开裂,孔隙和球化现象。因此,缺陷检测技术在AM领域得到了迅速发展。在本文中,孔令豹研究员等人详细介绍了多种传统检测技术和机器学习检测技术。同时,列出了一些最新研究,并提出了AM缺陷检测技术的未来前景。

3.最新进展

众所周知,在AM加工过程中会发生材料间断的情况。因此会出现不同的缺陷类型。尽管后处理加工也可以适当减少或消除AM零件中的缺陷,但是提高零件的检测技术对于解决高端工业制造的挑战性具有重要意义。

AM缺陷种类归纳

在AM工艺中,金属粉末的温度变化很大,并且部件内容易形成热应力,从而导致最终质量的不确定性。当捕获在组件内部的应力突然释放时,表面会出现裂纹,从而影响组件的性能和寿命如图1(a)所示。多孔缺陷也是AM工艺中的常见现象,并且除了捕获的气体外,这些多孔缺陷还源自缺乏熔融,这可以直接影响最终部件的密度和机械性能如图1(c)所示。同时当熔融材料凝固成球形而不是固体时,发生熔化球的形成,也就是球化,这严重阻碍了层间连接如图1(c)所示。

Fig. 1 AM缺陷:(a)选择性激光熔融AM零件中的裂纹现象,(b) SLM-1b中的代表性多孔缺陷现象,(c) 粒径为0.05 mm的AM零件球化现象

传统无损检测技术

针对不同类型的缺陷,传统的非破坏性缺陷检测方法主要包括:红外成像缺陷检测,渗透缺陷检测,涡流缺陷检测和超声缺陷检测。红外热成像技术的原理主要是通过AM制造的工件的热辐射强度来显示缺陷的形状和轮廓。渗透缺陷检测使用毛细管现象来检查材料的表面缺陷如图2所示。涡流检测是使用电磁感应原理通过测量被测工件中感应涡流的变化来发现缺陷,从而无损评估导电材料的某些缺陷如图3所示。超声波检测是使用超声波检查金属组件的内部缺陷如图4所示。

Fig. 2 航空航天AM结构的渗透检测结果:(a)火箭气体喷射器样品;(b)POGO–Z挡板.

Fig. 3 金属AM组件涡流检测结果

Fig. 4 B超扫描不同深度的AM组件缺陷:(a)缺陷深度0.5mm;(b)缺陷深度0.1mm。

基于机器学习的缺陷检测技术

近年来,机器学习发展迅速,在工业质量检测领域取得了巨大进步。基于强大的深度学习能力和特征提取效率,许多研究人员已应用了该技术来检测缺陷并提高整体检测效率和质量。例如卷积神经网络,自动编码网络,深度残差神经网络,递归神经网络。同时这些机器学习缺陷检测技术,对AM零件的影响最小,检测效率提高并且与传统的检测技术相比具有很高的自动化程度,因此被广泛使用。

4.未来展望

AM技术被认为是最有前途的制造技术之一。尽管AM技术在机械性能方面取得了不错的成就,但在实际加工应用中AM组件仍然受到缺陷和精度的限制。同时,大多数现有的缺陷检测方法只能使用在传统工业加工和制造领域,不能替代AM加工领域中收集检测数据和检测缺陷的方法。因此,应该探索更多的缺陷检测技术。而机器学习检测可以基于AM领域的特点,依靠传统加工缺陷检测的方法和经验,得到最合适的AM陷检测技术手段。


单晶金刚石的抛光与平坦化:现状与展望
罗虎, Khan Muhammad Ajmal, 柳汪, Kazuya Yamamura, 邓辉
2021, 3(2). doi: 10.1088/2631-7990/abe915
摘要:

研究论文 ● 开放获取

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1.文章导读

金刚石是自然界最硬的物质,集众多优异的物理、化学、光学和热学性能于一身,广泛应用于光伏发电、半导体、消费电子及超硬刀具等诸多领域,是现代工业中的关键基础材料,亦被视为21世纪最有发展前景的工程材料。然而,人工方式生产出来的金刚石晶体表面粗糙,需要对其进行平坦化加工获得高精度、低损伤的超光滑金刚石表面(Ra<1 nm),以满足上述领域的要求。但是,金刚石具有硬度高、耐磨损、化学惰性高和各向异性等特点,使之成为公认极难加工的材料之一。近期,南方科技大学工学院机械与工程能源系、等离子体先进制造实验室的邓辉助理教授、罗虎博士、Khan Muhammad Ajmal博士、柳汪硕士研究生,和日本大阪大学Kazuya Yamamura教授《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing,IJEM)上共同发表《单晶金刚石的抛光与平坦化:现状与展望》的综述,简要分析了金刚石抛光材料去除的一般发展历程和基本原理,并详细分析了每种技术的抛光性能和面临的主要挑战,深入讨论了金刚石抛光的新见解和应用前景。

亮点:

● 简要分析了金刚石抛光一般发展历程和材料去除的基本原理

● 详细分析了每种抛光技术的抛光性能和面临的主要挑战

● 深入讨论了金刚石抛光的新见解和应用前景

图1 金刚石抛光技术的简要回顾

图2 金刚石抛光技术发展历程

2.研究背景

第三代半导体、5G通信、通讯卫星及军用雷达等高新技术领域已大量应用金刚石衬底元器件,以满足抗辐射、大功率、高频率、高温等极端工况的要求,平坦化抛光技术已经成为单晶金刚石应用于上述领域的关键技术之一。开发出高质量、高效率的金刚石抛光加工工艺,是实现金刚石晶体大面积应用的前提。在金刚石抛光中,存在以下两大难点:一方面,金刚石硬度极高,通常需要大抛光载荷才能形成材料去除,因而在抛光过程中容易产生划痕、坑点等表面/亚表面损伤;另一方面,金刚石弹性极限与强度极限非常接近,当所承受的载荷超过弹性极限时就会发生断裂破坏,因而金刚石抛光加工时极易破碎。故实现金刚石高质量、高效率的超光滑无损伤表面的加工非常困难。当前应用于金刚石抛光的主要方法有机械抛光、化学机械抛光、动态磨削抛光、热化学抛光、等离子体刻蚀和高能束流抛光等。在本文中,罗虎博士等人对金刚石抛光的最新进展进行了详细介绍。

3.最新进展

最新进展主要分为三个部分:机械抛光材料去除机理研究,化学机械抛光材料去除机理研究,等离子体辅助抛光。

机械抛光材料去除机理研究

在这方面,Pastewka等人利用MD模拟对金刚石平坦化过程中的材料去除各向异性进行了研究。通过在两个不饱和金刚石表面施加30m/s的速度和10Gpa的法向载荷,对金刚石抛光的微观机理进行了仿真分析。如图3a所示,在(110)面的<100>方向滑动期间,所产生的非晶界面层稳定地增加。为了将模拟和实验磨损过程关联起来,使用具有锐边的金刚石磨粒在非晶碳上滑动(图3b)。结果表明,含有sp2和sp的非晶碳会被刮除一部分,这与实际抛光实验结果一致。基于说明抛光过程中,磨粒对金刚石表面各向异性微观起源进行详细分析后,(110)和(111)平面的软硬方向用细箭头和粗箭头标记(图3c)。Pastewka的模型和模拟揭示了抛光过程中金刚石磨损各向异性的原子机制。

图3 金刚石抛光的MD模拟:(a)非晶层随磨粒滑动时间的变化,(b)金刚石磨粒锐边对非晶碳的微去除,(c)金刚石磨粒(111)和(110)面的软硬方向。

化学机械抛光材料去除机理研究

为提高去除效率和改善抛光表面质量,基于机械、化学和热学作用相结合的多种金刚石抛光技术在近几十年得到了飞速发展。

为了更好地理解金刚石CMP的材料去除原理,Thomas等人总结了不同于传统热氧化为基础的另一种材料去除机制。对抛光前后的金刚石表面进行XPS分析,如图4所示。从未抛光和抛光的金刚石表面都检测到C1s(~285.0 eV)和O1s(~531.0 eV)的强峰(图4a)。一般来说,C1s区域决定了CMP过程中金刚石薄膜表面化学性质的变化。C1s光谱可分为四种化学环境:金刚石(C-C,285.0 eV)、碳氢化合物(C-H,285.5 eV)、乙醚(C-O,286.5 eV)和羰基(C=O,287.5 eV)。比较未抛光和抛光表面的XPS光谱,如图4b和c所示,可以看出CMP不会显著改变CVD金刚石表面的化学成分,但它会导致不同碳物种浓度的细微变化。应注意的是,与传统抛光原理不同的是,在抛光表面上不会出现石墨或石墨相关缺陷。同时,由于实验是在没有金刚石磨料的室温下进行的,因此机械微粉碎和石墨化并不是材料去除的原因。因此,提出抛光机理遵循二氧化硅(SiO2)的化学反应,如图4d所示,材料去除机制可分为三个主要部分。(i)化学机械抛光在抛光界面产生氧化环境,增加了金刚石表面的羰基和羟基含量。(ii)新形成的羰基和羟基有助于二氧化硅颗粒与金刚石表面的结合。(iii)由抛光垫驱动的SiO2颗粒产生剪切能。C-C键比Si-O键(800kj/mol)和O-C键(1077kj/mol)弱(610kj/mol),在剪切力作用下更容易断裂。最终,碳原子被去除,金刚石表面变得光滑。

图4 未抛光和抛光金刚石表面的XPS分析:(a)从上到下;抛光1、2和4h的初始表面,(b)抛光前的C1s XPS光谱,(c)抛光4小时后C1s XPS光谱,(d)可能的材料去除机制

等离子体辅助抛光

最近,Yamamura等人报道了一种原子级无损伤的金刚石抛光方法—等离子字体辅助抛光(PAP),其MRR为2.1μm/h,表面粗糙度可达Ra 0.13 nm。在PAP中,产生的等离子体包含OH自由基,其附着在抛光盘上形成改性的抛光界面。改性后抛光盘与旋转的金刚石表面相互作用时,会发生化学反应形成复合化学键,进而在剪切作用下实现C原子的去除,从而达到抛光加工的目的。研究结果表明PAP是一种无损伤的超光滑抛光技术,可以实现金刚石的无损伤加工。

图5 PAP实验设置和结果:(a)PAP装置的示意图,(b)基于Ar的等离子体的光发射光谱(OES),(c)PAP工艺前的表面粗糙度,(d)和(e)使用石英玻璃抛光盘进行PAP后的表面粗糙度,(f)使用蓝宝石抛光板进行PAP后的表面粗糙度,(g)和(h)抛光前后表面拉曼光谱分析。

4.未来展望

加工效率和抛光表面质量是发展和应用金刚石抛光技术的关键动力。自1920年首次报道金刚石机械抛光的科学研究以来,各种抛光技术得到了发展,所提出的抛光技术的发展和趋势如图2所示。

(1)1920s-1970s,研究主要集中在优化机械抛光。研究结果表明,加工效率在很大程度上取决于晶体的取向和抛光时磨粒切入的方向。经过几十年的发展,人们发现沿“软”方向抛光可以获得较高的材料去除率。(100)和(110)晶面上的<100>方向被认为是“软方向”,而(100)和(110)晶面上的<110>方向以及(111)平面上的所有方向被认为是“硬方向”。这些规律有助于在金刚石机械抛光过程中找到合适的加工条件,为机械抛光其商业化应用奠定了坚实的基础。

(2)由于机械抛光具有很强的材料去除各向异性,利用化学反应去除碳原子的方法一直是研究的重点。1950s-2000s,化学辅助抛光技术得到了飞速的发展,与机械抛光相比,化学辅助抛光的MRR有了很大的提高。激光抛光、反应离子束刻蚀和动态摩擦抛光将MRR提高到每分钟几微米。虽然实际应用中抛光表面质量不理想,但并不影响其应用于金刚石的粗抛光。然而,同时具有高效率和高质量的抛光方法有望在未来得到发展。

(3)2000年以后,CMP、RIE和OH自由基辅助抛光的研究明显增多,这是由于生产需求和工业要求的不断提高,如高效、高质量的抛光,传统的抛光技术已不能满足这些要求。此外,研究新抛光技术的趋势在未来可能会持续发展。然而,新的加工方法仍然面临着一些挑战,如在效率和质量之间找到平衡点、简化加工设备、降低加工成本等。

(4)由于可视化仿真软件的迅速发展,金刚石抛光的原子去除机理可以通过MD模拟或量子分析进行可视化分析。因此,对金刚石机械抛光中材料去除各向异性机理的研究日益增多。MD模拟也有助于分析CMP和OH自由基辅助抛光过程中化学键合过程的演变,有助于深入理解材料去除机理。毫无疑问,在不久的将来,研究人员将继续使用MD模拟来分析和可视化其他抛光技术的材料去除机制。


研究论文
基于飞秒激光打印的pH响应Janus微结构加工新策略及其应用
劳召欣, 孙锐, 金东东, 任中国, 辛晨, 张亚超, 蒋绍军, 张亦元, 张立
2021, 3(2). doi: 10.1088/2631-7990/abe092
摘要:

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1.文章导读

由化学或物理性质不同的两部分组成的微结构被称为双面神(Janus)结构。由于其构造简单,Janus结构在微纳智能器件领域具有广泛的应用前景。但是,Janus结构的制备通常需要依赖于多步骤加工,或在加工过程中涉及到多种不同的材料和加工参数,具有较高的工艺难度、制备时间和成本。近期,香港中文大学张立教授课题组在《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)发表《飞秒激光同参数扫描制备的pH驱动双面神微结构及其在信息加密/解密和微物体捕获中的应用》的研究文章,介绍了一种新的智能微结构的加工方法。研究人员利用光的散射作用,使用完全相同的加工参数,在单一材料中即可制备出亚微米尺度的快速响应型Janus结构,并展示了该智能单元在信息加密/解密和微物体捕获方面的应用。

2.研究背景

自然界中的生物经过亿万年的生存竞争,进化出了多种多样刺激-响应机制以适应环境变化。受这类刺激-响应机制启发,研究人员研发了多种多样的智能微纳功能结构。其中,Janus结构由于其简单的设计而引起了广泛关注。此外,飞秒激光打印作为一种三维高精度的微纳加工手段,近年来在微流体、微光学、智能器件等领域都获得了广泛应用。但目前利用飞秒激光制备Janus结构时,往往依赖于繁复的加工步骤,不同的材料或加工参数——这些都增加了加工的成本。而且大多数Janus结构在阵列中仅具有均匀的变形,难以在小范围内精确自定义各个结构的取向,缺乏灵活性。

3.最新进展

研究人员制备了一种pH响应的水凝胶材料,该材料在pH值大于9时膨胀,形变程度与其聚合程度相关。如图.1b所示,水凝胶聚合度越高,其在pH改变时的形变越小,反之则形变越大。以此为基础,研究人员发展了一种双次扫描的策略制备Janus结构(图1.a)。两次扫描的激光能量、步距等参数完全相同,但首次扫描形成的结构会对第二次扫描的光形成散射和折射,从而降低第二次扫描时形成结构的聚合程度。且由于两次扫描位置极近,两次扫描即可制备出一个直径约800 nm,两侧聚合程度不同的水凝胶Janus微柱(图.1e)。因此,在环境pH值改变时,两侧膨胀程度的不同会使该结构发生可逆的弯曲与伸直,且具有超高的响应速度(<0.2 s)和稳定的响应特性(图.1f)。

图1 飞秒激光同参数扫描制备的pH响应Janus微结构。标尺:15 μm(c), 4 μm (d, e)。

图2 pH响应Janus微结构的信息加密/解密应用。标尺:15 μm。

该种基于飞秒激光打印的双次扫描策略具有高度的灵活性,还可用于自定义Janus结构阵列中的空间排布,从而实现信息的隐藏与显示(图.2)。如图2c所示,pH<9时,ph响应janus微结构隐藏在正常非janus结构阵列中,“cuhk”不显示;当ph>9时,Janus微结构膨胀、弯曲,而非Janus微柱不弯曲,因此“CUHK”显示。随后,研究人员还基于该pH调控微结构设计了可用于微物体捕获的微爪阵列结构,并展示了其在微物体定点捕获和释放中的应用(图.3)。

此外,由于飞秒激光加工的灵活性,该pH调控微结构还可以被集成到微通道内,从而在微流体领域得到应用。

图3 pH响应Janus微结构应用于微物体捕获。标尺:10 μm。

4.未来展望

研究人员提出了一种简单灵活的双次扫描策略,用于制作pH调控的Janus微柱。基于已成型结构对激光的散射/折射效应,研究人员利用相同的工艺参数在同种材料中构造了物理不均匀性,这与当前基于不同材料、多步骤制造和/或不同工艺参数构建Janus结构的策略相比,工艺步骤大幅简化。这些Janus微柱的响应效应可由pH刺激触发,从而组成具有亚微米特征尺度和快速响应(约0.2s)特点的微致动器。通过充分利用飞秒激光打印的灵活性,可以方便地控制微柱的数量、空间位置和弯曲方向,形成各种动态有序图案。由此产生的Janus微执行器在信息加密/解密和微粒捕获方面具有潜在的应用价值。飞秒激光直写技术与刺激响应智能材料的结合,为功能性微致动器的研制开辟了一条新的途径。该方法具有良好的可扩展性和灵活性,可广泛应用于智能显示、智能传感器、微对象操作、过滤和传输等领域。


5.文章补充视频


 

    四微柱单胞                                                       花瓣状微结构

 

 微通道致动器                                            加密与解密

AA7075铝合金高温成形过程中摩擦系数演变及润滑剂失效行为研究
Xiao Yang, Qunli Zhang, Yang Zheng, Xiaochuan Liu, Denis Politis, Omer El Fakir, Liliang Wang
2021, 3(2). doi: 10.1088/2631-7990/abe847
摘要:

本文通过P20工具钢和AA7075铝合金之间进行的销盘磨损试验,研究了高温下润滑剂的行为。实验研究了温度、初始润滑剂量、接触压力和滑动速度对润滑剂行为(即摩擦系数(COF)的演变和失效现象)的影响。在高温下摩擦系数(COF)的演变包括三个不同的阶段,每个阶段具有不同的摩擦机理。第一阶段(阶段Ⅰ)是低摩擦阶段,发生在边界润滑出现时。第二阶段(阶段Ⅱ)是过渡过程,摩擦系数(COF)在润滑剂膜厚度减小到临界值的过程中迅速增加。在最后的平稳阶段(阶段III),润滑剂发生失效,从而界面密切接触导致高的摩擦系数。在低摩擦阶段(阶段I),摩擦系数值(COF)随温度升高而增加。温度,接触压力和滑动速度的增加以及初始润滑剂体积的减少均会加速润滑剂的失效。

优化膜厚以提升高熵合金复合微点阵超材料韧性
James Utama Surjadi, 冯骁斌, 周文钊, 陆洋
2021, 3(2). doi: 10.1088/2631-7990/abd8e8
摘要:

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1.文章导读

近年来,高熵合金(HEAs)复合微晶格点阵与传统金属晶格材料相比,具有优异的力学性能和功能特性。然而在较低的应变下(10%以下),较软的聚合物芯与表面硬质金属薄膜之间的模量失配和低附着力往往会导致膜基分离和支杆断裂。最近,来自香港城市大学的James Utama Surjadi, 冯骁斌, 周文钊博士和陆洋副教授在《极端制造》期刊(International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM)上发表了题为“优化膜厚以延缓高熵合金复合微晶格点阵支杆断裂” (Optimizing film thickness to delay strut fracture in high-entropy alloy composite microlattices) 的文章。在这项工作中,作者利用金属微纳尺度效应,证明通过优化微晶格CoCrNiFe高熵合金薄膜厚度可显著抑制膜基分离,并延缓支杆断裂,同时材料的比强度提升了高达50%。本研究为金属复合微点阵材料强韧化提供了一种有效的方案。

2.研究背景

金属微晶格点阵作为一类新兴力学超材料,因其在低密度下同时具有较高刚度和高强度等优异力学性能,最近引起了人们的广泛关注。在具体的实施方案中,金属/合金复合微晶格点阵是一种直接而有效的方法,可以在保持较低重量的同时提高材料刚度和强度。此外,高熵合金(HEAs),这种由四种或更多种主元组成的新型合金,最近已被应用于复合微纳米晶格中,与传统金属/合金相比,高熵合金微晶格表现出更为优异的比强度和可调控的性能。然而,尽管高熵合金微晶格具有较高的强度,但在较低的压缩应变下(~ 7%)出现支杆脆性断裂,这一现象同样在复合微晶格中有大量报导。

3.最新进展

高熵合金复合微晶格点阵设计和微加工工艺

作者首先通过软件进行八角点阵的设计优化,聚合物微晶格点阵通过投影微立体光刻技术,PµSL (深圳摩方新材料科技有限公司,BMF)。选择八角点阵几何结构是因为它是拉伸主导变形,相对于弯曲主导的微晶格点阵,在相同密度下可以承受更大的载荷。八角点阵单元尺寸为2 mm,支杆直径为0.2 mm。随后我们在室温下通过磁控溅射在聚合物构架上沉积一层CoCrNiFe高熵合金薄膜。

1 (a) 高熵合金复合八角点阵单元 (b) 投影微立体光刻(PµSL)技术 (c) 高熵合金薄膜沉积。

原位单轴压缩聚合物和复合微晶格点阵

在较低的压缩应变下,所有微晶格点阵的支杆均表现出弹性屈曲。然而,在较大应变下(~ 8.5%),复合微晶格点阵(400 nm)表现出局部的支杆断裂。同时,100 nm厚的复合微晶格在高压缩应变(~ 17%)下才开始出现支杆断裂,其压缩塑性与纯聚合物微晶格基本相同(~ 18%)。

                                               

2 (a) 微晶格点阵变形过程 (b) 微晶格点阵压缩应力-应变曲线。

形后复合微晶格点阵微观结构观测

较薄涂层的复合微晶格的强度和塑性的提高主要是由于随着特征尺寸减小高熵合金薄膜的脆韧性转变。涂层厚度为100 nm的微晶格即使大变形后仍保持光滑的表面形貌,没有明显的裂纹。相反,涂层厚度为400nm的微晶格在变形后支杆表面出现大量裂纹。断裂的支杆的截面形态也显示出脆性断口和膜基分离,从而揭示了优化膜厚可以很大程度上延缓高熵合金复合微晶格点阵支杆的断裂。

3 (a, b) 变形后结构单元扫描电镜图片(c, d) 断口周围表面形貌 (e, f) 断口截面形貌。

4.未来展望

在这篇文章中,作者采用投影微立体光刻技术 (PµSL)和磁控溅射技术制备出CoCrNiFe高熵合金复合微晶格点阵。PµSL同时提供了高分辨率和相对较大打印区域,使得厘米级样品具有微米级分辨率。此外通过优化膜厚,作者提出完全抑制膜基分离以及大幅延缓支杆断裂是可能的。这种方法可以应用于其他先进的金属/合金复合微晶格中,以进一步提升微点阵材料的机械和功能应用。



驱动磁性液体金属实现柔性电路印刷
张承君, 杨青, 雍佳乐, 山超, 张径舟, 侯洵, 陈烽
2021, 3(2). doi: 10.1088/2631-7990/abeda3
摘要:

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1.文章导读

近年来,柔性电子在医疗健康检测、智能机器人以及柔性电子皮肤等领域的研究越来越多,制备具有高延展性的柔性电路成为柔性电子应用的关键。利用纳米复合材料以及离子凝胶等制备弹性导电体是目前主流的柔性电路制备方式,但是目前仍存在着高延展性与高导电性无法同时满足等问题。镓基合金作为一种室温下以液体形式存在的金属材料,采用镓基金属作为导体材料成为目前制备柔性电路中的一个新的策略。不同于传统电路制备方式,液体金属通常以液体油墨的形式进行印刷,而选择性润湿是目前液体金属电路印刷的主要方式之一,因此对于调控液体金属浸润性的方法研究至关重要。飞秒激光具备高精密加工的能力,被广泛应用于微纳加工领域,如三维加工,液体浸润性调控等。近期,西安交通大学微纳制造与测量技术国际合作联合实验室的陈烽教授研究团队《极端制造》期刊International Journal of Extreme Manufacturing,IJEM)上发表《驱动磁性液体金属实现柔性电路印刷》的文章,介绍了飞秒激光在柔性硅胶基底表面制备超疏液体金属表面的研究进展。通过调控液体金属浸润性实现液体金属在柔性硅胶基底表面的功能化操控,如柔性电路印刷、电路修复等。所制备的液体金属电路具备很好的表面均匀性,以及良好的柔性电学性能,能够应用于柔性拉力传感领域。而且在激光图案化扫描过的表面进行印刷的液体金属电路能够在酒精溶液中进行回收再利用。

亮点:

● 利用飞秒激光处理柔性硅胶基底,制备了超疏液体金属表面。

● 通过调控液体金属浸润性实现液体金属图案化制备。

● 控制磁性液体金属在硅胶基底表面实现功能化操控,如液体金属电路印刷以及修复等。

2.研究背景

镓基合金(如镓铟合金、镓铟锡合金等)作为一种室温下呈现液态的金属材料,近年来被研究作为一种新兴的柔性电路电极材料。柔性电子需要能够在承受复杂变形时仍然保持有良好的导电性能以及回弹性能,基底材料和电极材料的选择对于柔性电子器件的性能至关重要。镓基液体金属有着很好的流体特性,而且在室温下具备优良的导电性,导热性,以及无毒等特点,是一种很好的柔性电极材料。将镓基液体金属用于柔性电路的制备,其制备工艺不同于传统PCB电路制备方式,需要进行新技术的探究。目前,液体金属柔性电路的制备方式主要包括选择性浸润,模板印刷,喷涂法,微流道注射法以及导电聚合物。利用镓基合金流体的特性,通过浸润性调控来进行图案化制备是目前较为常用的方式。镓基液体金属极易在有氧环境中氧化,外部包裹有一层极高粘附性的氧化层,使得液体金属极易粘附在平滑的表面。相反,粗糙的表面结构能够显著降低液体金属的粘附性。利用液体金属在两种不同表面表现出的浸润性差异进行印刷,是一种简单而无模板的图案化方式,而且通常能够得到较高精度和高分辨率的液体金属图案。但是目前液体金属印刷时同样存在着印刷后的液体金属电路均匀性差,印刷方式灵活性低,以及无法同时进行电路印刷与修复等问题。针对上述问题,陈烽教授研究团队介绍了一种利用飞秒激光进行液体金属浸润性调控,并且通过控制磁性液体金属实现高精度、高均匀性的电路印刷方式,而且能够对液体金属进行灵活操控,实现电路修复等功能。

3.最新进展

研究人员通过飞秒激光调控磁性液体金属在硅胶表面的润湿性来达到高精度,高均匀性图案化印刷的目的。如图1a,b所示,当驱动磁性液体金属在硅胶材料表面运动时,液体金属会在平滑的硅胶表面留下一道液体金属轨迹,而在飞秒激光处理过的超疏液体金属表面则完全不会发生粘附。通过磁性液体金属在这两种不同表面粘附性的差异,可以进行图案化制备,如图1c,d所示。飞秒激光通过逐行扫描的方式对所需图案以外的区域进行扫描,未处理的光滑区域为液体金属印刷图案区域。通过对比驱动磁性液体金属在无激光预先图案化处理的表面和激光图案化处理以后的表面的两种印刷结果(图1e,f),可以发现后者能够精确控制图案并且能够灵活控制印刷过程中图案的线条宽度等。

图1 磁场磁性液体金属印刷的原理及结果

通过该方式制备的柔性电路其最小线宽能够达到200μm,而且表面十分均匀光滑(图2a-c)。而且所制备的均匀的液体金属电路其电阻完全不受弯曲变形的影响,这也提高了柔性电路应用中信号的稳定性(图2e)。在承受拉伸变形时,所制备的液体金属电路满足良好的电阻变化特性,能够应用于柔性拉力传感器的制备(图2f)。同时,可以发现在承受各种复杂变形时,柔性电路依然保持良好的电路导通性能(图2g)。

图2 液体金属电路的印刷效果及电学性能表征

相比于传统印刷方式,通过在液体金属中加入铁颗粒使得液体金属具备磁场响应的特性。结合飞秒激光的图案化扫描,能够灵活控制磁性液体金属在柔性硅胶基底表面实现电路印刷以及修复工作,而且修复过程不会造成短路现象,因为飞秒激光制备的超疏液体金属表面具备十分稳定的超疏特性,液体金属无法粘附在激光处理过的非图案区域(图3)。通过飞秒激光预处理的辅助,并且在磁场控制下实现液体金属功能化操控,能够应用于高精度柔性电路印刷,电路修复以及液体金属液滴开关等领域中。所制备的液体金属柔性电路能够应用于柔性可穿戴设备,柔性传感器等领域。

图3 控制磁性液体金属实现电路印刷以及电路修复

4.未来展望

研究人员通过在液体金属中加入铁颗粒实现了液体金属磁场响应,而且通过飞秒激光辅助处理能够实现高精度液体金属图案印刷,用以柔性电路制备。所制备的柔性电路具备良好的表面质量以及优异的柔性电学性能,能够应用于柔性电子及柔性传感等领域。在磁场控制下,磁性液体金属不仅能够实现电路印刷,而且能够对破损电路进行修复,实现了对液体金属的功能化操控,在液体金属液滴的智能化操控中具有潜在的应用。


W-Ni-Fe合金化学机械抛光的理论与实验研究
Jiang Guo, Xiaolin Shi, Chuanping Song, Lin Niu, Hailong Cui, Xiaoguang Guo, Zhen Tong, Nan Yu, Zhuji Jin, Renke Kang
2021, 3(2). doi: 10.1088/2631-7990/abefb8
摘要:

为了提高模具和精密仪器零件的表面质量,需要对钨合金进行精加工。然而,由于两相微结构的性能差异导致晶界台阶的形成,很难获得高质量表面。本文对钨镍铁(W-Ni-Fe)合金的化学机械抛光进行了理论和实验研究,阐述了晶界台阶的形成机理,提出了晶界台阶的形成模型,揭示了机械和化学作用对表面粗糙度和材料去除率的影响。通过实验验证了模型的准确性,结果表明,通过平衡机械和化学作用可抑制晶界台阶的形成,从而获得高表面质量和高去除率。

用于极端环境的纳米光栅分布式光纤传感器飞秒激光制备技术
Mohan Wang, Kehao Zhao, Jingyu Wu, Yuqi Li, Yang Yang, Sheng Huang, Jieru Zhao, Thomas Tweedle, David Carpenter, Guiqiu Zheng, Qingxu Yu, Kevin P Chen
2021, 3(2). doi: 10.1088/2631-7990/abe171
摘要:

飞秒激光已经成为微纳器件制造的一种有力工具。通过非线性电离加工,可以在用于器件制备的透明材料内部进行纳米级尺寸材料改性。本文描述了石英纤芯中纳米光栅的飞秒精度刻蚀,以形成用于极端环境条件下传感应用的分布式和点式光纤传感器。通过扫描电子显微镜成像和激光加工优化,可以用高温稳定的Ⅱ型飞秒激光进行逐点连续改性加工,每点传感器器件插入损耗在1db m-1或0.001db。在1000℃下测试光纤传感器的高温性能,5天内温度波动在±5.5℃。光纤中低激光诱导插入损耗使1.4米抗辐射分布式光纤传感器的制备成为可能。分布式光纤传感器的堆内测试进一步表明,该光纤传感器能够在极端辐射环境下进行稳定的分布式温度测量。综上,本文论证了飞秒激光制备的光纤传感器是适用于极端环境下应用的测量器件。