3D打印微機械器件，助力微納力學表征

研究背景

隨著一維微納米材料（諸如金屬和半導體納米線，碳納米管，生物質微纖維等）的應用逐漸普及，人們對其機械性能和力學可靠性的充分了解變得越來越重要。盡管經歷了數十年發展，迄今為止，在定量測試單個微納一維材料方面依舊極具挑戰性。近年來，基于微機電系統（MEMS, microelectromechanical system）的微器件已成為在高分辨率電子顯微鏡或光學顯微鏡下定量測試一維微納米材料力學性質的有效工具，然而，這些現有的基于MEMS工藝的力學測試器件大部分基于傳統的硅光刻微加工工藝，其制造過程復雜，研發周期長且驗證成本十分昂貴。

創新研究

近期，香港城市大學機械工程系陸洋教授課題組利用先進的微納3D打印技術，基于先前的設計（美國專利#US8058613B2）,研發并制造出可用于測試跨尺度的微納米線原位力學測試微機械器件（MMD, micro-mechanical device）。研究者們基于面投影微立體光刻的3D打印系統（BMFTM nanoArch P130）制作了一系列微米級的高精度樹脂基機械器件，其在外部力學測試儀（作為致動器和載荷傳感器）的輔助下實現了在電鏡和光鏡下的微納米線原位單軸拉伸測試。該研究工作發表于力學期刊Extreme Mechanics Letters。

總所周知，3D打印具有高度定制化的優勢，該工作采用有限元法針對測試不同試樣的需要，設計和優化不同器件材質及工藝，并可批量并行制造多種不同器件以達到最佳測試性能和結構穩定性。在該論文中，直徑大小從納米級到微米級碳化硅納米線和鋯鈦酸鉛（PZT）微米線分別在定制打印的MMD上進行了測試，成功展現了該方案的可行性以及高效性。

最重要的是，相對于傳統的硅基器件試制和生產，基于高精度3D打印的微機械器件甚至微機電器件具有顯著的低成本、易制造和高自由度等優勢。并且，其客制化特性可極大豐富微納米力學測試平臺的本構材料靈活性和幾何設計復雜性。對比于傳統硅基器件,基于樹脂材料的3D打印MMD能承受更大變形，使微觀下的大變形力學測試的研究亦成為可能。此外，相較于硅器件隨特征尺寸變大會變得更脆，3D打印樹脂基MMD的韌性，剛度和大小有更大的可調控空間，可用于定制測試各種微米和亞微米級材料樣品，例如生物原纖維、電紡聚合物纖維、微電子鍵合線等，極大地填補了目前介于納米級和宏觀高精度力學測試器械之間的一項空白。   

香港城市大學機械工程系博士生王月皎和現西安電子科技大學機電工程學院副教授高立波為本論文共同一作。本工作得到香港城大-西電微納制造聯合實驗室以及深圳市科技創新委基礎研究基金等項目的支持。

圖1 高精度面投影微立體光刻3D打印系統及其打印的微機械器件MMD

圖2 實驗設置及有限元仿真優化設計

圖3 碳化硅SiC納米線的原位SEM拉伸測試演示

原文鏈接：

Y Wang¹, L Gao¹, S Fan, W Zhou, X Li, Y Lu* “3D printed micro-mechanical device (MMD) for in situ tensile testing of micro/nanowires”Extreme Mechanics Letters 33,100575, 2019

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352431619302433