超轻超硬低密度机械超材料的投影微立体光刻加工

多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成的网络结构材料，具有相对密度低、比强度以及比表面积高、重量轻、隔音、隔热、渗透性好等优点，在航空、航天、化工、建材、冶金、原子能、石化、机械医药和环保等诸多领域具有广泛的应用前景。自然界中，如带横隔片的骨头，植物软细胞组织以及海绵，都属于具有优异机械性质的轻材料。受自然多孔结构的启发，各种人工多孔轻质结构都相继出现了，并在结构构件、能源吸收、过滤筛选、热交换、催化以及生物材料等领域获得了广泛应用。然而，随着密度的降低，机械性能的退化极为严重，如带孔硅胶，当密度降到小于块材的0.5%时，其杨氏模量仅为块材的0.00001%。机械性能的退化主要在于大多数自然存在或人工加工的多孔材料的空隙率是随机的，尤其是当相对密度小于0.1%时,杨氏模量与密度之比（E_r/E_s∝(ρ/ρ_s)ⁿ）以及强度与密度之比（σ_y/σ_ys∝(ρ/ρ_s)ⁿ）呈二次方甚至更高阶的缩放比例关系。由于与材料的相对密度和相对机械性能相关的缩放因子n与材料的微结构密切相关，通过微纳跨尺度分层结构的有序排布，可大大提高材料的机械性能。

最近，麻省理工大学劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Zheng等，通过投影微立体光刻技术，设计（如图1所示）并加工制备了多种材料体系的超轻机械超材料(性能主由结构而非组份决定)。微立体光刻技术是一种层层叠加的自由形状三维微结构微加工技术，加工过程如图2a所示。与纳米压印及紫外投影光刻系统相比，其特点在于这种技术非常适用于加工几十微米到厘米尺度的复杂三维点阵结构。实验中采用的光刻胶溶液为1.6乙二醇二丙烯酸酯或聚二丙烯酸酯。系统的主要部件是一个空间光调制器，可以用来形成可编程的数字光刻掩模版。数字光刻掩模版的图形结构是由所需加工的结构决定的，其形成过程中，首先通过软件将待加工的三维结构切片形成Z轴方向的多组平面图形；这些二维的图形然后被透射转移到硅芯片上的液晶反射层上，每一幅图像都会通过缩小透镜辐照到光刻胶的表面并由发光二极管阵列产生的UV光照射，从而使光刻胶固化变性。完成一层二维图形的曝光后，样品台下移，并在固化的光刻胶上再敷涂一层光刻胶，然后进行另一图层的导入与曝光处理。通过多次重复这样的步骤获得复杂结构。采用这一技术加工一个10-500微米的图形一般需要几分钟。所制备的如图2所示的支架结构结构具有高度有序，高各向同性等特点，其机械性能与密度在三个量级的范围内可保持很好的线形缩放关系。此外还可以通过在光刻胶中添加不同的微纳米颗粒，通过颗粒的搅拌分散处理与光刻过程获得多种不同的材料体系与功能结构。也可以通过电镀、电泳以及材料沉积等技术，对结构进行功能化处理。机械性能测试表明这些支架机构材料具有比其体材料更优越的性能。这一研究为进一步深入开展多孔三维结构的实验和理论研究提供了重要的信息。相关成果发表在近期《科学》杂志上【Sciences 344, 6190 (2014)】

图1：以拉伸（A-C）和弯曲（D-F）为主导的超轻超硬低密度机械超材料单元细胞和晶格的体系结构

图2：投影微立体光刻工艺过程（A）以及不同材料与构型的Octet-truss微晶格结构：(B)固态HDDA聚合物；(C) Ni-P金属中控管状结构；(D)Al₂O₃中空管状陶瓷结构；(E) Al₂O₃固态状陶瓷结构；(F - I)为 (B)- (E)中支架结构的放大图。