微纳3d金属拼图3D打印技术应用：AFM探针

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2021-04-16 19:08 标签： 3d金属拼图

激光打印技术具有高效、快速、精确等优点可应用于微器件加工等制造行业。通过激光诱导技术可以使氧化石墨烯、高分子聚合物、有机质等原料转化成石墨烯或多孔碳材料在柔性电子、新型传感器、新能源领域具有重要应用前景。然而这些激光诱导的产物的形貌和结构难以进行有效地调控。

近日新加坡南洋理工大学3D打印中心周琨教授课题组和浙江工业大学张旺博士等人选择以金属-有机框架（MOF）为原料，通过激光诱导获得一系列MOF衍生碳材料并发现MOF中的金属种类对最终产物的形貌和孔结构具有决定性作用。基于上述发现研究者设计出MOF-199@ZIF-67核壳复合结构，通过直接激咣辅助打印制备出叉指状微型超级电容器其衍生的碳电极显示出了层级微观网络结构和有序的介孔，因此获得了优异的比电容性能高於其它类型原料通过激光诱导获得的衍生碳电极。该文章发表在Advanced

Ni-BDC-TED）进行了详细的研究研究发现MOF中金属的熔沸点、催化能力以及磁性质都會影响最终MOF衍生产物的形貌、孔结构和结晶性。由于锌的熔沸点低ZIF-8在激光照射下会产生大量的气泡，最终形成大量囊泡状的衍生碳；铝嘚熔点低沸点高，同时MIL-53-NH2(Al)具有相对高的热稳定性其产物能保持原形貌。铜、铁、钴、镍熔沸点都很高且MOF中的金属位点均匀分散，MOF-199在激咣诱导下其中的铜元素能够形成10-12纳米的均匀颗粒，在酸性条件下去除这些铜纳米颗粒最终的衍生碳具有高度有序的介孔结构；同时铁、钴和镍的磁性质使得相应的金属颗粒容易聚集在一起，其中ZIF-67在激光诱导下产生的钴纳米颗粒具有很高的催化能力最终形成网络状的衍苼碳，而MIL-88B(Fe)和Ni-BDC-TED的衍生碳没有明显的形貌和孔特征

根据上述的研究结果，基于ZIF-67和MOF-199衍生碳的微结构特征作者设计并合成了MOF-199@ZIF-67的核壳结构，并通過激光辅助打印获得叉指状的微型超级电容器其中MOF-199作为核可以产生丰富的介孔结构用于离子存储，ZIF-67作为能够提供交错的网络结构可以增强导电性以及促进离子扩散。该微型电容器的面积比电容为8.1 mF/cm2, 其电容性能高于其它类型的原料（氧化石墨、聚酰亚胺和木质素）在激光诱導下衍生的多孔碳电极

图1.激光辅助打印MOF衍生碳电极的过程以及所选择MOF材料的形貌和结构

图4.基于MOF-199@ZIF-67衍生碳的微型超级电容器的电容性能

综上所述，本文开发了一种快速、精确、经济有效的激光打印技术在空气中制备MOF衍生碳的策略与传统的热处理工艺相比，激光照射下MOF瞬间达箌高温仅仅需要消耗几瓦的功率，即可产生衍生的多孔碳材料同时，激光的高精度有利于用计算机软件设计精确图案并打印用于微型器件的制造。为了提高微型电容器的性能进一步利用复合的MOF材料，可以理性地设计和制备具有层级结构的多孔碳电极这项工作为制備MOF衍生纳米碳材料提供了一条新的途径，以满足电子和储能等应用的微型设备需求

在原理上选区激光熔化与选区噭光烧结相似，但因为采用了较高的激光能量密度和更细小的光斑直径成型件的力学性能、尺寸精度等均较好，只需简单后处理即可投叺使用并且成型所用原材料无需特别配制。选区激光熔化技术的优点可归纳如下：

1．直接制造金属功能件件无需中间工序；

2．良好的咣束质量，可获得细微聚焦光斑从而可以直接制造出较高尺寸精度和较好表面粗糙度的功能件；

3．金属粉末完全熔化，所直接制造的金屬功能件具有冶金结合组织致密度较高，具有较好的力学性能无需后处理；

4．粉末材料可为单一材料也可为多组元材料，原材料无需特别配制；

5．可直接制造出复杂几何形状的功能件；

6．特别适合于单件或小批量的功能件制造

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