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  傳統(tǒng)的材料加工技術(shù)一般是通過研磨、車削、鉆孔，或鑄造、鍛造等方法，對材料施加力學(xué)或熱學(xué)作用，從而改變材料的形貌特征。近年來，以納米材料、能源材料、生物材料等為代表新材料研究迅猛發(fā)展，材料科學(xué)的進步對材料加工技術(shù)提出了更高的要求。其中，理性化、智能化的材料加工技術(shù)是未來的重要發(fā)展方向。與傳統(tǒng)的材料加工技術(shù)相比，數(shù)字化制造技術(shù)是依靠計算機數(shù)字技術(shù)對材料的形貌、成分和結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和控制，實現(xiàn)任意形態(tài)的材料加工（見圖1），為材料新功能、新應(yīng)用的開拓提供了重要的途徑。

圖1. 數(shù)字化加工技術(shù)流程圖

  近日，德州大學(xué)奧斯汀分校鄭躍兵教授課題組（https://zheng.engr.utexas.edu）受邀在材料科學(xué)頂級期刊Materials Today上發(fā)表了先進材料的數(shù)字化制造技術(shù)的綜述論文，并被期刊選為內(nèi)封面文章。該工作從數(shù)字化制造材料的不同尺寸范圍，對現(xiàn)有的增材加工技術(shù)和微納光學(xué)印刷技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)進行了分析，并對數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展前景進行了展望。

  首先，該工作指出了目前增材加工技術(shù)所面臨的三個方面的挑戰(zhàn)及研究現(xiàn)狀（圖2）：

  （1） 加工材料的多樣性：高聚物材料是增材加工技術(shù)最常用的材料。然而，與有機材料相比，金屬材料和陶瓷材料在機械性能和電、磁、光等功能性上更勝一籌，但陶瓷材料的高熔點以及合金材料的動態(tài)融化與凝固過程分別是陶瓷材料與合金材料增材加工面臨的問題。面臨這一挑戰(zhàn)，該文章分別介紹了基于聚合物陶瓷前驅(qū)體的陶瓷增材加工技術(shù)以及納米顆粒誘導(dǎo)形核的合金增材加工技術(shù)的工作原理及其在多樣化材料加工技術(shù)中的應(yīng)用。

  （2） 加工效率：材料的加工效率或產(chǎn)率一直是制約增材加工技術(shù)發(fā)展的主要因素，面對這一問題，該工作介紹了連續(xù)液態(tài)界面制造技術(shù)的原理與研究進展，通過引入一個氧滲透的紫外透光窗口產(chǎn)生一個加工盲區(qū)，從而實現(xiàn)增材加工技術(shù)的連續(xù)化，有效提高了增材加工技術(shù)的產(chǎn)率。

  （3） 加工精度：一般而言，增材加工技術(shù)的精度是20-50 mm量級。通過雙光子聚合技術(shù)可以將加工精度提高到亞微米量級，然而，雙光子聚合技術(shù)一般僅適用于高聚物材料。該工作介紹了通過高聚物-金屬前驅(qū)體的使用，通過雙光子聚合加工以及后續(xù)燒結(jié)，可以將金屬材料的增材制造精度提高至100 nm左右。

圖2. 增材加工技術(shù)的進展與挑戰(zhàn)

  同時，該工作進一步將增材加工逐層加工的基本概念拓展到微納材料的組裝上，介紹了微納材料的光學(xué)印刷技術(shù)，并根據(jù)其工作原理進行分類（圖3），光學(xué)印刷技術(shù)可分為：

  （1） 光力學(xué)驅(qū)動的納米材料印刷：借助光與微納材料相互作用在材料上產(chǎn)生的梯度力或散射力，克服微納材料與襯底間的靜電勢壘，將微納材料精確地印刷到固體襯底上。但該技術(shù)受限于材料自身的折射率，對于散射力或梯度力較弱的材料，其印刷功能受到嚴重的限制。

  （2） 激光氣泡印刷：利用激光加熱產(chǎn)生的微米氣泡所引起的馬倫格尼對流在低維材料上產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)，可以實現(xiàn)材料的高效率光學(xué)印刷。該技術(shù)適用于從納米到微米量級不同尺寸微納材料的印刷，然而，產(chǎn)生氣泡所需的高溫限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

  （3） 熱泳印刷：利用溶液中膠束離子的熱泳運動所引起的濃度梯度，在微納材料周圍產(chǎn)生耗盡層與滲透壓，從而實現(xiàn)微納顆粒之間以及顆粒與襯底之間的鍵合作用。該方法適用于絕大多數(shù)微納功能材料，并且可實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)組裝。

圖3. 微納材料的光學(xué)印刷技術(shù)

  最后，作者對該材料的數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展前景進行了展望，提出了未來數(shù)字化制造技術(shù)亟需解決的若干問題（圖4），并且著重強調(diào)了功能材料的數(shù)字化制造對未來材料應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要性。

圖4. 數(shù)字化制造技術(shù)的前瞻

  該論文目前在線發(fā)表在Materials Today上，文章的第一作者和共同通訊作者為課題組研究員林琳涵博士，鄭躍兵教授為該論文的通訊作者。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2019.05.022