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  傳統(tǒng)的材料加工技術(shù)一般是通過(guò)研磨、車削、鉆孔，或鑄造、鍛造等方法，對(duì)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(lái)，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(jìn)步對(duì)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(lái)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(jì)算機(jī)數(shù)字技術(shù)對(duì)材料的形貌、成分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制，實(shí)現(xiàn)任意形態(tài)的材料加工（見(jiàn)圖1），為材料新功能、新應(yīng)用的開(kāi)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(jí)期刊Materials Today上發(fā)表了先進(jìn)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(duì)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(jìn)行了分析，并對(duì)數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)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(gè)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(jī)材料相比，金屬材料和陶瓷材料在機(jī)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(diǎn)以及合金材料的動(dòng)態(tài)融化與凝固過(guò)程分別是陶瓷材料與合金材料增材加工面臨的問(wèn)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(duì)這一問(wèn)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(jìn)展，通過(guò)引入一個(gè)氧滲透的紫外透光窗口產(chǎn)生一個(gè)加工盲區(qū)，從而實(shí)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(jí)。通過(guò)雙光子聚合技術(shù)可以將加工精度提高到亞微米量級(jí)，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(guò)高聚物-金屬前驅(qū)體的使用，通過(guò)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(jìn)展與挑戰(zhàn)

  同時(shí)，該工作進(jìn)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(jìn)行分類（圖3），光學(xué)印刷技術(shù)可分為：

  （1） 光力學(xué)驅(qū)動(dòng)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(shì)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(duì)于散射力或梯度力較弱的材料，其印刷功能受到嚴(yán)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(duì)流在低維材料上產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)，可以實(shí)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(jí)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(yùn)動(dòng)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(shí)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(shí)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(duì)該材料的數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望，提出了未來(lái)數(shù)字化制造技術(shù)亟需解決的若干問(wèn)題（圖4），并且著重強(qiáng)調(diào)了功能材料的數(shù)字化制造對(duì)未來(lái)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