電化學(xué)增材制造.doc

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1、一種低成本臺(tái)式電化學(xué)金屬3D打印機(jī)增材制造（增材制造）或3D打印，就像它更為人所知的一樣，就是根據(jù)數(shù)字模型通過一層一層順序地沉積材料制造3D物體的過程。電化學(xué)3D打卬是一種相對(duì)較新的形式增材制造技術(shù)，其通過將溶液中的金屈離子電化學(xué)還原到導(dǎo)電慕材上而產(chǎn)生金屈結(jié)構(gòu)。這種工藝的優(yōu)點(diǎn)是可以在一定條件下沉積各種材料和合金,而不會(huì)造成熱損傷，并且更重要的是成本低，因?yàn)檫@不需要昂貴的激光器或惰性氣體環(huán)境。其他優(yōu)點(diǎn)包括這樣的事實(shí)，即該過程可以涉及到通過電化學(xué)溶解再循環(huán)組成成分來實(shí)現(xiàn)增減材制造。然而,這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)主要局限是速度。在這里，提出了一種新穎的電化學(xué)3D打印機(jī)設(shè)計(jì)方案，使用彎液而約束方法

2、，由于通過機(jī)械電解質(zhì)夾帶機(jī)制改進(jìn)質(zhì)量傳輸特性，證明了沉積速率比等效系統(tǒng)高三個(gè)數(shù)量級(jí)。印刷銅結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出多晶特性，隨著電勢(shì)增加導(dǎo)致晶粒尺寸減小，導(dǎo)致維氏硬度和電了電阻率更高。增材制造（增材制造）（3D打?。┦峭ㄟ^材料的層層固化創(chuàng)建復(fù)雜的3D兒何形狀的過程，與傳統(tǒng)的減法制造方法相反。金屈增材制造提供的設(shè)計(jì)空間已經(jīng)在航空航天，汽車，醫(yī)療應(yīng)用等領(lǐng)域得到了工業(yè)應(yīng)用。在金屈增材制造工藝中，直接金屬激光燒結(jié)（DHLS）是最常見的，通過金屬粉末層的選擇性激光燒結(jié)來工作。金屬增材制造目前受到高成木，結(jié)構(gòu)缺陷以及無法使用多種材料的限制而不能被廣泛的商業(yè)應(yīng)用。因此，需要開發(fā)用于沉積多種金屬的新型非基于激

3、光的3D打卬技術(shù)，其為了降低開發(fā)功能性結(jié)構(gòu)的成本。電化學(xué)增材制造（ECAM）（電化學(xué)3D打?。┦且环N相對(duì)較新的增材制造方法，它通過還原溶液中的金屬離子，將薄且高度粘附的金屬層沉積到導(dǎo)電基材表面。已經(jīng)采用了許多不同的方法來創(chuàng)建電化學(xué)3D打印機(jī)。Suryavanshi和Yu通過用納米管進(jìn)行電化學(xué)沉積來制造單獨(dú)的銅納米線，并獲得了直徑200mn線和lOuni長(zhǎng)的銅線。從透射電子顯微鏡衍射圖中可以看出，沉積是多晶的，盡管有人提出通過調(diào)整沉積條件可以形成結(jié)晶銅，如果初始核生長(zhǎng)比形成新原子核的形成快。這種方法的一個(gè)挑戰(zhàn)是，在低運(yùn)行濕度小于35%的情況下，硫酸銅由于靠近吸管尖端的蒸發(fā)率高，導(dǎo)致

4、堵塞。Suryavanshi和Yu限制了它們的沉積電位，以避免電解水，因此沉積速率相對(duì)較慢。他們認(rèn)為，從0.05m增加電解質(zhì)濃度會(huì)增加電流密度和沉積速率;然而，這將加劇堵塞問題。它們以0.4V（在其銅電極和金/硅基板之間，無參考電極）沉積其收縮速度為0.25pn/s,相當(dāng)于0.008^m3/s的沉積速率。胡和余提出了一種類似彎液面約束電極（MCE）方法來牛成銅線。在0.2V的電勢(shì)下，在環(huán)境條件下以0.05m電解質(zhì)濃度實(shí)現(xiàn)來自硫酸銅的銅的電化學(xué)沉積。他們表明，收縮速度可以用來通過彎液面的變窄來控制導(dǎo)線的厚度?！鰪澮好娴姆€(wěn)定性相關(guān)的挑戰(zhàn)被強(qiáng)調(diào)，因?yàn)樗顷P(guān)于收縮速度，電解質(zhì)和機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)

5、定性的函數(shù),因此需要高度的控制。Hu和Yu限制他們的移液管直徑為1.6Pm,收縮速度在0.3-0.6pm/s之間，以產(chǎn)牛800-1600nm的線肓徑（最大沉積速率1.2/zm3/s）o結(jié)果，沉積相對(duì)較慢并且沉積銅的尺寸為微米級(jí)。為了改善這一點(diǎn)，他們提出增加電解質(zhì)濃度和移液管的大小，然而這可能會(huì)改變電解質(zhì)，空氣和生長(zhǎng)線之間三相區(qū)域的界而力的熱力學(xué)條件，這可能導(dǎo)致彎液而不穩(wěn)定。Seol等人制定了一個(gè)簡(jiǎn)單的策略，通過調(diào)節(jié)不同振幅和持續(xù)時(shí)間的應(yīng)用電位來改進(jìn)以前的彎液面指導(dǎo)直接書寫方法。使用這種方法，通過調(diào)制脈沖電位（2V占空比為33%,在休眠周期期間施加0.8V）來沉積中空微管。這促進(jìn)了

6、彎液面邊緣的優(yōu)先沉積。為了獲得堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，他們添加了具有止的沉積電勢(shì)（2V）的負(fù)的沉積電位（-0.IV）來抑制尖端處的優(yōu)先沉積。采用這種方法，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的3D金屈微體系結(jié)構(gòu)，其直徑為12um,等于20.4pn3/s（0.18

7、im/s）的沉積速率，電解質(zhì)濃度為1M,相對(duì)濕度為50%。局部電化學(xué)沉積（LCD）是另一種不同于彎液面約束技術(shù)的電化學(xué)增材制造方法。它使用淹沒在離了導(dǎo)電電解質(zhì)中的超銳化電極，靠近導(dǎo)電基底，在此處發(fā)生沉積。尖端和襯底之間施加電勢(shì)，導(dǎo)致局部沉積。展示了液晶顯示技術(shù)，他們用鈉絲包裹玻璃作為電極。但是，他們強(qiáng)調(diào)了監(jiān)測(cè)沉積電流和匹配電極收縮率以避免短路的問題。通過添加

8、基于激光的溶液噴射以促進(jìn)質(zhì)量傳輸，LCD方法所展示的沉積速率高于彎液面約束方法，對(duì)于50um金沉積（19634/zm3/s），沉積速率高達(dá)10km/soKamaraj等的研究數(shù)值強(qiáng)調(diào)了LCD技術(shù)電極間隙的臨界性，和Muller等人討論了擴(kuò)散控制沉積和電場(chǎng)遷移之間的相互作用。他們認(rèn)為，太小的間隙會(huì)導(dǎo)致物種局部消耗導(dǎo)致不一致的沉積。Seol等人也強(qiáng)調(diào)了液晶顯示器中遷移和擴(kuò)散之間相互作用的重要性，并提出了…種新的戰(zhàn)略，通過在可操作X射線顯微照相技術(shù)中改進(jìn)橫向分辨率的過程和孔隙度。通過這