微纳金属3D打印技术应用：AFM测试探针材质是什么金属？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2023-07-22 09:57 标签： 测试探针材质是什么金属
简介：兰红波，二级教授，博士，博士生导师，无党派人士，山东省增材制造工程技术研究中心主任，青岛市3D打印工程研究中心主任。国家有突出贡献中青年专家，入选国家百千万人才工程，国务院政府特殊津贴专家，教育部新世纪优秀人才，山东省泰山学者特聘专家，山东省有突出贡献的中青年专家，青岛市首批创新领军人才。中国机械工程学会增材制造（3D打印）技术分会常务委员，国际标准化组织（ISO）增材制造(ISO/TC261)标委会委员，全国增材制造标委会（SAC/TC562）委员，国家知识产权局中国专利审查技术专家。迎难而上，在国内率先开展微纳3D打印研究微纳尺度3D打印是增材制造和微纳制造的前沿技术，被美国麻省理工学院《技术评论》列为2014年十大具有颠覆性的新兴技术，目前已经被用于航空航天、生物医疗、国防军事、新型电子电路等诸多领域，显示出广阔的工业化应用前景。但是，由于微纳3D打印技术难度大，门槛高，涉及机械、材料、控制、电子等多学科交叉，该技术基本被美国、德国、日本、韩国等少数国家所垄断。兰红波教授带领团队成员迎难而上，在国内率先开展微纳3D打印的研究，凝心聚力，经过近十年的研究和攻关，提出并建立了一种原创性的微纳增材制造新技术：电场驱动喷射沉积微纳3D打印，围绕该技术，从成形原理、理论模型、数值模拟、关键技术和装备、实验研究和工艺优化、工程应用等多个方面开展了系统深入的研究。研制出国内首台具有完全自主知识产权的电场驱动喷射沉积微纳3D打印机，打破微纳3D打印被美国、德国等少数国家垄断，并将该技术应用到高性能柔性透明导电膜、透明电极、透明电加热/电磁屏蔽、共形天线、柔性电子、可降解心血管支架和组织支架、微透镜、功能梯度材料、3D结构电子、高分辨率液态金属打印等多个领域和行业。相关研究成果在国际顶尖期刊《Advanced Materials》（SCI影响因子：30.849）、国内顶级期刊《科学通报》和《中国科学》等发表高水平学术论文29篇，授权美国和中国发明专利15项，申请国际PCT发明专利5项，申请中国发明专利21项；获软件著作版权4项；美国、瑞典、新加坡等国际会议邀请报告10次。潜心研究，团队“微纳尺度3D打印”专利数量居全球首位根据国家知识知识产权局的分析报告，兰红波教授团队“微纳尺度3D打印”专利数量居全球首位。美国3M和劳伦斯利弗莫尔国家实验室排在第二和第三位；德国弗劳恩霍夫研究促进协会位列第四。这标志着兰红波教授团队在微纳尺度3D打印领域的研究和创新成果方面处于国际第一梯队。近年来，兰红波教授先后主持国家自然科学基金纳米制造的基础研究重大研究计划、国家自然科学基金面上项目、山东省自然科学基金重大基础研究项目、山东省重点研发计划等14项纵向项目。以第一作者和通讯作者在国际顶尖期刊Advanced Materials、国内顶尖期刊科学通报、中国科学、机械工程学报等发表高水平学术论文48篇，SCI/EI论文110篇。以第一作者出版英文学术专著1部，参编英文学术著作4部（Book Chapter）。以第一发明人授权美国发明专利3项，中国发明专利42项，国际PCT发明专利8项。以第一完成人获得软件著作权4项。制定国家标准5项。以第一完成人获山东省技术发明二等奖1项，山东省高等学校优秀科研成果奖一等奖1项，中国产学研合作创新奖1项。美国、日本、瑞典、墨西哥等重要国际学术会议邀请报告14次。作为负责人，2014年组织申报的“青岛市3D打印工程研究中心”，被青岛市发展和改革委员会获批建设，并完成中心的建设和验收。2018年组织申报的“山东省增材制造工程技术研究中心”被山东省科技厅批准建设。这是山东省首个增材制造和3D打印专业化科研和成果转化平台，在引领山东省和青岛市增材制造这一前沿学科方向和战略性新兴产业发展做出重要贡献。在产学研合作方面的贡献，2018年获得中国产学研合作促进会颁发的“中国产学研合作创新奖”。在国内率先倡导开展微纳增材制造技术的研究，为微纳增材制造这一前沿学科方向的发展做出积极贡献。发表了国内第一篇微纳尺度3D打印的学术文章（中国科学：技术科学，2015）。负责撰写了微纳增材制造技术路线图（中国机械工程技术发展路线图（第二版），2016）；负责“微纳增材制造”“电流体动力喷射打印”等新增加词条的撰写（中国大百科全书第三版，2018）。负责起草国家标准“微纳增材制造”等术语（国家标准 增材制造 术语GB/T 35351-2017）。2015年7月代表国家标准委参加在德国柏林举办的增材制造ISO/TC 261国际标准会议，这是我国首次以P成员参加增材制造国际标准会议。倾心指导，助力人才培养和团队建设兰红波教授积极培养微纳3D打印的青年人才，团队已经累积培养博士后、博士研究生、硕士研究生90余人。他指导的研究生钱垒和许权分别获得2019年度和2020年度山东省优秀硕士论文。兰红波教授带领的3D打印与智能制造创新团队在成长过程中所形成的团队文化是指引团队继续奋进的源动力。他经常勉励团队青年教师，一定要在科研道路上耐得住寂寞，坐得了冷板凳。近一年来，兰红波教授团队在微纳3D打印和增材制造等方面取得多项重要成果：2021年5月，团队朱晓阳副教授再次在国际顶尖期刊《Advanced Materials》上发表微纳3D打印的最新研究成果。2021年张广明和杨建军副教授研究成果发表在国内顶尖期刊《科学通报》；2021年朱晓阳副教授研究成果发表在国际权威期刊ACS Applied Materials & Interfaces（Q1，9.229）；2021年张广明副教授研究成果发表机械工程领域权威期刊Virtual and Physical Prototyping（Q1，8.092）；2021年侯章浩副教授研究成果发表在复合材料领域权威期刊Composites Science and Technology（Q1，8.528）；2020年郭鹏飞副教授研究成果发表在材料腐蚀领域权威期刊Corrosion Science（Q1，7.205）。2020年12月兰红波教授主持的山东省自然科学基金重大基础研究项目“面向增材制造的高性能功能梯度材料设计与控形控性研究”获批（ZR2020ZD04），项目经费300万元。2020年11月团队参与制定两项增材制造国家标准正式发布。兰红波带领的“3D打印与智能制造”团队获得2019年感动理工年度人物荣誉。目前承担山东省泰山学者团队和山东省青创团队两个团队人才项目。近4年，团队承担国家自然科学基金5项，山东省自然科学基金重大基础研究项目、山东省重点研发计划、山东省自然科学基金等省部级科研项目15项。2021年1月出版的由中国机械工程学会编著《2018-2019机械工程学科发展报告（机械制造）》在增材制造专题报告的“增材制造前沿探索”中介绍了该项技术和相关研究成果。研制的电场驱动喷射沉积微纳3D打印机目前已由青岛五维智造科技有限公司进行成果转化。编辑：冀春鑫审核：白天
2023-07-03 11:55
来源:
知社学术圈
AFM: 高性能柔性压电传感器有难度？试试3D打印纳米复合材料吧！
柔性压电传感器在可穿戴电子产品、医疗保健、机器人、汽车、航空航天、结构健康监测等领域具有广泛的前景。聚偏二氟乙烯（PVDF）及其共聚物具有压电性、机械柔性和耐久性等优异材料特性，使其非常适用于柔性和可拉伸的压电传感器应用。然而，传统制造方法对PVDF的微观结构控制有限，未经极化处理的PVDF具有的压电灵敏度、能量转化效率等性能偏低。因此，通过增材制造（AM）方法3D打印先进PVDF纳米复合材料，使其具有柔性和高压电性能，具有极高的需求和应用价值。
针对上述问题，来自美国北德州大学（UNT）的Yijie Jiang（蒋轶杰） 和 Wonbong Choi教授团队、橡树岭国家实验室（ORNL）合作报道了一种通过3D打印制造的高性能压电材料，既聚偏氟乙烯-二维二硫化钼（PVDF-2D MoS2）纳米复合材料。该研究利用3D打印过程中的剪切应力实现了PVDF的偶极子力学极化和二位纳米材料MoS2的定向和分布控制。无需进行后续的电场极化处理，即可显著提升该纳米复合材料的压电效应。实验结果显示，相较于PVDF材料，3D打印的PVDF-8wt% MoS2复合材料的压电系数增加了超过八倍。该增强压电性能的基本机制包括PVDF中β相的体积分数增加、PVDF-MoS2界面上的应变分布，以及通过微观结构分析和有限元模拟确认的应变传递。
该项研究以“Boosting piezoelectricity by 3D printing PVDF-MoS2composite as a conformal and high-sensitivity piezoelectric sensor”为题，于2023年6月21日发表在Advanced Functional Materials期刊上 (影响因子IF 19.924，CiteScore 26.6)。
近年来，不同科研团队们研究了多种纳米填充材料以增强PVDF的压电性能，但其脆性、低韧性和有限的压电灵敏度限制了其进一步的发展。近期关于二维二硫化钼（2D MoS2）在其纳米薄层状态下具有高压电性的报道引起了广泛关注。Jiang和Choi团队以此为灵感，合成纳米尺度层状MoS2并利用超声波震荡、真空高能搅拌的方式，将该纳米材料均匀填充至PVDF基体，形成可3D打印的“墨水”（图1）。之后，利用直接墨水书写（Direct Ink Writing）的3D打印方式，将纳米复合材料打印为可弯曲、拉伸的压电材料。
图1.（a）可用于3D打印的复合材料配置过程，（b-d）二维纳米材料MoS2在扫描电镜和透射电镜下纳米尺度测量，（e-f）3D打印成型示例。
该团队通过传统制造方式和3D打印方法制备了一系列PVDF和不同纳米材料含量（2-11 wt%）的PVDF-MoS2复合材料，并对它们的压电特性进行了实验测量。在周期性压缩载荷下（图2a），测量了制备样品的输出电流和电压信号（图2b-c）。即使未加入纳米MoS2材料，3D打印的PVDF薄膜的压电电流和电压明显高于铸造样品，分别为约为铸造薄膜的2.8倍和1.5倍（图2b-c）。此外，与铸造样品相比，3D打印的PVDF薄膜的压电系数（d33）增加了87.3%（图2d）。在添加二维纳米材料MoS2后，压电输出电流密度和输出电压整体增加（图2b-c）。在PVDF-MoS2复合材料中，PVDF-8 wt% MoS2样品的输出电流和电压最高，分别较铸造PVDF薄膜增强了488%和115%（图2b-c），其压电系数（d33）增加了8.2倍（图2d）。
图2.压电性能实验测量。（a）压电参数（d33）实验示例图，（b-d）针对纯基体材料和具有不同质量比（2-11 wt%）的纳米复合材料的压电实验数据，（b）电流密度，（c）电压输出，以及（d）压电参数数据。
通过材料微观表征测量和数值模拟，该团队提出并证明了这一高压电性能的多个机理。基体中β相的增加是其高压电性能的原因之一。相对于PVDF的其他分子链构象，β相由于其平行偶极矩取向而具有最高的压电响应。XRD和Raman映射实验结果确认了通过3D打印和MoS2填料作用，PVDF中β相的持续增加。另一个重要原因，是MoS2纳米填料处的应变集中现象。该现象不仅促进了基体中局部b相的产生，同时也有效的提高了对高压电灵敏度的纳米填料的应变传输（strain transfer）效果。基于这一发现，该研究提出了一个材料模型，建立了压电性能与一系列材料参数的力学关系（图3）。该模型为设计新型纳米复合压电材料提供了参考价值。
图3. 纳米复合材料压电性能与多个材料参数的力学模型与关系。
总之，该研究通过利用3D打印和二维纳米填料的独特特性，成功地制造了高灵敏度柔性压电传感器。本研究中探讨的机理、设计和增材制造方式，可有效的用于PVDF-MoS2的压电传感器制造，以及预测和调控其压电性能，使其用于传感、驱动、能量收集等应用和新一代传感器、机械-电子柔性设备方面开辟了新的可能性。
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