理化所刘静低熔点金属多孔材料增材制造性能潜在应用与挑战

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　　第一作者：高建业
　　通讯作者：刘静研究员（中科院理化技术研究所、清华大学）
　　通讯单位：中科院理化技术研究所、清华大学
　　论文DOI：10.1016/j.mattod.2021.03.019
　　全文速览
　　文章以低熔点金属多孔材料的增材制造为主题，从材料制备、性能、潜在应用和未来挑战等方面作了系统展望。该文首先回顾了低熔点金属的基本材料属性，包括低熔点金属的物化性质、电磁屏蔽性能、催化性能、柔性储能、界面特性、生物安全性等；然后，结合目前主流的增材制造技术，从低熔点金属粉末原材料制备及改性、不同的增材制造过程：粉末床熔化、直接能量沉积、材料挤压、混合3D打印技术、低熔点金属多孔材料后处理等方面，系统地分析了当前增材制造技术用于制备低熔点金属多孔材料的可行性，并且概念性地提出了基于低熔点金属多孔材料的增材制造技术；接着，定义了增材制造的低熔点金属多孔材料的基本属性，阐述了低熔点金属多孔材料在能源热管理、电磁屏蔽、催化、电池储能、仿生、生物医学等领域的潜在应用；最后，总结了低熔点金属多孔材料增材制造技术遇到的挑战。该项工作为增材制造技术提供全新的功能材料，研究人员希望该文的工作能够吸引业界同行对4D低熔金属多孔材料增材制造的研究兴趣，进而促进多孔金属材料体系和增材制造技术的繁荣。
　　背景介绍
　　室温液态金属作为新兴的低熔点金属功能材料，已在热控能源、电磁屏蔽、生物医学、柔性电子等领域受到研究工作者的广泛关注。近年来，基于室温液态金属的增材制造技术取得系列突破，其中围绕电子电路的增材制造技术发展较为成熟，然而有关结构化的低熔点金属多孔材料的增材制造仍处于孕育阶段。与传统多孔金属材料相比，低熔点金属多孔材料由于熔点较低的特性，不仅易于实现其多孔结构的快速制备，而且便于通过外场实现其3D结构的智能调节，这为4D多孔金属材料的增材制造提供了全新的物质基础。
　　图文解析
　　（一）低熔点金属的基本材料属性
　　低熔点金属常指熔点低于300 °C的金属、合金及其金属衍生物，由于合金组成元素的多晶相特征以及组分的差异从而具有不同的熔点。其中，以镓基和铋基为代表的低熔点金属，在室温或更高温下呈现液态，具有沸点高、蒸气压低的特性，这使得此类金属材料可在一个较为宽泛的温度区间内仍保持液态。此外，低熔点金属固有的导热/导电性强、表面张力大，在室温条件下便可实现固液相可逆转变，且其制造工艺无需高温冶炼、环保无毒，因而备受研究人员的青睐。
　　图 1 低熔点金属的典型物理性质
　　低熔点金属上述属性常赋予其独特的功能特性，包括低熔点金属独特的电磁屏蔽性能、催化性能、柔性储能、界面特性以及生物安全性等。例如，基于低熔点液态金属的流动性以及液体的表界面特性，液态金属的系列非常规界面行为被相继挖掘，如图2所示为低熔点金属的自驱动、心跳、胞吞效应、自生长、自愈合、变色、大尺度变形等仿生行为。
　　图 2 基于液态金属界面特性的仿生应用
　　在将低熔点金属材料应用于不同领域时，应首先考虑材料的生物安全性。目前，低熔点金属的生物安全性在诸多生物应用中均得到了明确的阐述，越来越多的证据表明了镓基和铋基低熔点金属良好的生物相容性和低细胞毒性。图3展示了近十年来低熔点金属在生物医学领域里程碑式的应用研究。
　　图 3 近十年来低熔点金属在生物医学领域里程碑式的应用研究
　　（二）低熔点金属多孔材料的增材制造
　　目前，低熔点金属多孔材料的增材制造仍处于起步阶段，相关的研究仍然较少。借鉴现有成熟的增材制造技术，文章以粉末床熔融技术为示例，首先绘制了低熔点金属多孔材料的增材制造技术路线图，如图4所示。接着，讨论了以金属粉末/线材为原材料制备多孔金属材料的粉末床熔融技术和定向能量沉积技术，以及以熔融金属为原料制备多孔金属材料的材料挤出成型增材制造技术，逐一明晰了目前主流的增材制造技术应用低熔点金属多孔材料的可行性。图5为采用复合增材制造技术制备的低熔点金属点阵结构。
　　图 4 粉末床熔融技术制备低熔点金属多孔材料的技术路线图
　　图 5 复合增材制造技术制备低熔点金属点阵结构
　　（三）低熔点金属多孔材料的基本性能与潜在应用
　　低熔点金属多孔材料，作为低熔点金属材料一个新的分支，将低熔点金属的基本属性与多孔材料完美地结合在一起，有效提高了低熔点金属材料的适应性。低熔点金属多孔材料的基本特性主要表现在其自修复、柔性、可调控的金属导电/导热性、自生长、密度可调、可修饰的生物功能特性。这些优异的性能赋予低熔点金属多孔材料多功能特性以及多元化的应用前景。低熔点金属多孔材料有望在热源热管理、催化、电磁屏蔽、生物医学应用、仿生和柔性电池储能领域得到广泛推广与应用。图6展示了低熔点金属多孔材料的基本性能与潜在应用。
　　图 6 低熔点金属多孔材料的基本性能与潜在应用
　　总结与展望
　　低熔点金属在增材制造领域已展现出极大的优势，将现有的低熔点金属材料研究与成熟的增材制造技术深度结合，亦或从中获得足够的灵感提出新型技术，将助力低熔点金属多孔材料的增材制造技术的发展，同时促进多孔金属材料体系和增材制造技术的繁荣。目前，低熔点金属多孔材料的增材制造仍面临如下挑战：
　　（1）从材料角度讲，应长期致力于对低熔点金属固有属性的提升与改善。如进一步提升低熔点金属的导电/导热性、生物相容性和机械性能等，这对拓宽低熔点金属多孔材料的应用领域具有重要意义。此外，低熔点金属熔点的连续调节较为困难，特定温度范围内无毒低熔点金属的研究依然匮乏，未来迫切需要开展低熔点金属的＂材料基因组计划＂。
　　（2）从低熔点金属粉末的制备与修饰讲，现有的制备技术制得的低熔点金属粉末，在粉末粒径和尺寸均一性方面，与实际应用之间仍存在较大的差距。此外，为提升低熔点金属多孔材料的适应性，低熔点金属粉末应兼备多重稳定性，如耐酸、耐碱、耐腐蚀、抗氧化等。低熔点金属粉末的复合制备技术、无氧化存储以及低熔点金属粉末的改性至关重要。
　　（3）鉴于材料的特殊性，低熔点金属多孔材料的增材制造仍然面临技术瓶颈，缺乏成体系的理论指导，低熔点金属多孔材料增材制造的理论体系亟待建立。
　　（4）金属/非金属复合增材制造技术为液态低熔点金属多孔材料的结构维持提供了新的解决方案，该技术除了需要考虑低熔点金属与非金属材料的操作温度的差异，还应关注低熔点金属与非金属之间的材料相容性及其表面相互作用，寻找适宜的非金属材料对低熔点金属多孔材料的复合增材制造意义重大。
　　（5）对于4D低熔点金属多孔材料的物性及性能表征，包括导电/导热性、孔隙分布及其微观形貌的实时检测仍面临巨大挑战，开发适用于4D低熔点金属多孔材料物性及性能实时表征技术仍任重而道远。
　　致谢 ：该工作得到国家自然科学基金(no.81701850)、国家自然科学重点基金(no.91748206和no.51890839)、中国科学院前沿项目的资助。
　　文献来源
　　Jian-Ye Gao, Sen Chen, Tian-Ying Liu, Jiao Ye, Jing Liu, Additive manufacture of low melting point metal porous materials: Capabilities, potential applications and challenges, Materials Today, 2021, https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.03.019.
　　(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702121001127)
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