摩(mo)方(fang)精密(mi) 3D打印(yin)微(wei)機(ji)械器(qi)件 助力(li)微納(na)力學表征(zheng)

研(yan)究背(bei)景

隨(sui)著壹維(wei)微(wei)納米材料（諸(zhu)如(ru)金屬(shu)和(he)半導體(ti)納米線，碳納(na)米管，生物(wu)質微(wei)纖(xian)維(wei)等(deng)）的(de)應用逐(zhu)漸普(pu)及，人(ren)們(men)對其(qi)機(ji)械性(xing)能(neng)和(he)力學可靠性(xing)的(de)充分(fen)了(le)解(jie)變(bian)得越來越重(zhong)要(yao)。盡管(guan)經歷了(le)數(shu)十(shi)年(nian)發(fa)展(zhan)，迄(qi)今為(wei)止(zhi)，在定量(liang)測試單個(ge)微納(na)壹(yi)維(wei)材(cai)料方(fang)面依(yi)舊具(ju)挑戰(zhan)性(xing)。近(jin)年(nian)來，基(ji)於(yu)微(wei)機(ji)電系統（MEMS, microelectromechanical system）的(de)微器件已(yi)成(cheng)為(wei)在(zai)高分(fen)辨率電子(zi)顯微(wei)鏡或光學顯微(wei)鏡下(xia)定量測試壹維(wei)微(wei)納米材料力(li)學性(xing)質的(de)有效工(gong)具(ju)，然而，這些(xie)現有(you)的(de)基(ji)於(yu)MEMS工(gong)藝(yi)的(de)力學測試器件大部分(fen)基(ji)於(yu)傳(chuan)統(tong)的(de)矽光刻微(wei)加工(gong)工(gong)藝(yi)，其制(zhi)造過(guo)程復雜，研(yan)發(fa)周期長(chang)且(qie)驗(yan)證(zheng)成(cheng)本十分(fen)昂貴(gui)。

創(chuang)新研(yan)究

近(jin)期(qi)，香(xiang)港(gang)城(cheng)市(shi)大學機(ji)械工(gong)程系陸洋(yang)教(jiao)授(shou)課(ke)題(ti)組(zu)利用*的(de)微納3D打(da)印(yin)技(ji)術，基(ji)於(yu)先前的(de)設計（美國專.利#US8058613B2）,研(yan)發(fa)並制(zhi)造出可用於測試跨尺(chi)度的(de)微納米線原(yuan)位力(li)學測試微機(ji)械器(qi)件（MMD, micro-mechanical device）。研(yan)究者們(men)基(ji)於(yu)面(mian)投影(ying)微(wei)立(li)體(ti)光刻的(de)3D打印系統（BMFTM nanoArch P130）制(zhi)作了(le)壹(yi)系列微(wei)米級(ji)的(de)高精度樹(shu)脂(zhi)基(ji)機(ji)械器(qi)件，其在(zai)外部力學測試儀（作為(wei)致(zhi)動(dong)器(qi)和(he)載(zai)荷傳(chuan)感器）的(de)輔助下(xia)實(shi)現(xian)了(le)在(zai)電(dian)鏡(jing)和(he)光鏡(jing)下(xia)的(de)微納米線原(yuan)位單(dan)軸拉伸測試。該研(yan)究工(gong)作發(fa)表於(yu)力學期刊(kan)Extreme Mechanics Letters。

總所(suo)周知(zhi)，3D打(da)印(yin)具(ju)有高度定制(zhi)化(hua)的(de)優勢，該(gai)工(gong)作采(cai)用有限(xian)元(yuan)法(fa)針(zhen)對(dui)測試不同(tong)試樣(yang)的(de)需要(yao)，設計(ji)和(he)優化(hua)不同(tong)器(qi)件材質及工(gong)藝(yi)，並可批量(liang)並行(xing)制(zhi)造多(duo)種(zhong)不同(tong)器(qi)件以達到(dao)最佳測試性(xing)能(neng)和(he)結構穩定(ding)性(xing)。在(zai)該論(lun)文(wen)中，直徑(jing)大小從(cong)納米級(ji)到微(wei)米級(ji)碳化(hua)矽(gui)納米線和(he)鋯鈦酸(suan)鉛(qian)（PZT）微米線分(fen)別(bie)在(zai)定(ding)制(zhi)打印(yin)的(de)MMD上(shang)進(jin)行(xing)了(le)測試，成(cheng)功(gong)展(zhan)現了(le)該(gai)方(fang)案的(de)可行(xing)性(xing)以(yi)及高效性(xing)。

最重(zhong)要(yao)的(de)是(shi)，相對於傳(chuan)統的(de)矽基(ji)器(qi)件試制(zhi)和(he)生產，基(ji)於(yu)高精度3D打(da)印的(de)微機(ji)械器(qi)件甚至微機(ji)電器(qi)件具(ju)有顯著(zhu)的(de)低成(cheng)本、易(yi)制(zhi)造和(he)高自(zi)由(you)度(du)等(deng)優勢。並且，其(qi)客(ke)制(zhi)化(hua)特(te)性(xing)可極大豐富(fu)微(wei)納米力學測試平(ping)臺的(de)本構材料(liao)靈(ling)活性(xing)和(he)幾何設(she)計(ji)復(fu)雜性(xing)。對(dui)比於傳統矽(gui)基(ji)器(qi)件,基(ji)於(yu)樹(shu)脂(zhi)材料的(de)3D打印MMD能(neng)承(cheng)受(shou)更大變(bian)形，使微(wei)觀(guan)下(xia)的(de)大變(bian)形力學測試的(de)研(yan)究亦(yi)成(cheng)為(wei)可能。此(ci)外，相較(jiao)於矽(gui)器件隨(sui)特(te)征(zheng)尺(chi)寸變(bian)大會(hui)變(bian)得更脆，3D打印樹(shu)脂(zhi)基(ji)MMD的(de)韌性(xing)，剛度和(he)大小有更(geng)大的(de)可調控(kong)空間，可用於定(ding)制(zhi)測試各種(zhong)微米和(he)亞(ya)微(wei)米級(ji)材料(liao)樣(yang)品，例(li)如生物(wu)原(yuan)纖維(wei)、電(dian)紡(fang)聚合物(wu)纖維(wei)、微(wei)電子(zi)鍵合線等，極大地填.補.了(le)目(mu)前介於納(na)米級(ji)和(he)宏(hong)觀高精度力(li)學測試器械(xie)之間(jian)的(de)壹項空(kong)白(bai)。   

香(xiang)港(gang)城(cheng)市(shi)大學機(ji)械工(gong)程系博士(shi)生王月(yue)皎和(he)現西安(an)電(dian)子(zi)科技(ji)大學機(ji)電工(gong)程學院副教(jiao)授(shou)高立(li)波為(wei)本論(lun)文(wen)共(gong)同(tong)壹作。本工作得到香(xiang)港(gang)城(cheng)大-西電微納(na)制(zhi)造聯(lian)合(he)實(shi)驗(yan)室以及深(shen)圳(zhen)市(shi)科技創(chuang)新委基(ji)礎研(yan)究基(ji)金等項目(mu)的(de)支持。

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圖(tu)1 高精度面(mian)投影(ying)微(wei)立(li)體(ti)光刻3D打(da)印系統及其(qi)打(da)印的(de)微機(ji)械器(qi)件MMD

圖2 實(shi)驗(yan)設置及有(you)限(xian)元仿(fang)真優化(hua)設(she)計

圖3 碳化(hua)矽(gui)SiC納米線的(de)原(yuan)位SEM拉(la)伸測試演(yan)示