《新材料周刊》第39期：3D打印技术革命性进展成本降低98%，速度提高1000倍

原创远望智库预见未来战略前沿技术

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内容摘要：

3D打印技术革命性进展：成本降低98%，速度提高1000倍

美陆军发布科技进步十大名单

IBM从海水提取材料制造新型高效环保锂电池

俄使用3D打印技术制造小型燃气涡轮飞机发动机

新纳米屏障可增强航天器有效载荷

5G手机电容器体积缩小至五分之一，容量增加十倍

超薄涂层使温度变化对红外摄像机隐身

美开发高性能柔性全色光电传感器

新加坡开发大面积柔性近红外发光二极管

3D打印技术革命性进展成本降低98%，速度提高1000倍

双光子光刻（TPL）是3D打印亚微米结构的最常用方法，但这一方法一直受到打印速度的制约。传统而言，打印速度和打印分辨率不可兼得，想要更多的打印速度，必然要承受分辨率损失。劳伦斯·利弗莫尔国家实验室和香港大学的研究人员日前研发出了一种方法，可以将打印速度提升1000倍，同时还能打印最细微的细节。该成果发表在10月份《科学》杂志上。新技术显著提高了打印速度并降低了成本，有望很快实现商业化并在各个领域广泛采用，将纳米级3D打印带入了一个新时代。

美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室Sourabh K. Saha和香港中文大学陈世池（Shih-Chi Chen）教授合作开发的飞秒投影双光子平版印刷术（FP-TPL）打印技术，通过临时聚焦控制激光光谱，以并行的逐层方式执行激光3D打印过程，而不是逐点写入。这等效于在焦平面上同时投影数百万个激光焦点，从而取代了仅在一个点聚焦和扫描激光的传统方法。换句话说，FP-TPL技术可以在点扫描系统制造点的时间内制造整个平面。

为了演示该方法，研究人员创建了一系列毫米级结构。在一个示例中，研究人员在8分钟20秒内以8.7mm/小时的速度3D打印了一个2.20 mm×2.20 mm×0.25 mm长方体，其中包含亚微米级的晶格特征。而用双光子光刻技术3D打印同样的结构则需要几个小时。

FP-TPL的颠覆性在于，它不仅极大提高了速度（大约10-100 m/小时），而且还提高了分辨率（横向和轴向分别约140 nm和175 nm），降低了成本（1.5美元/mm3）。传统的TPP系统典型硬件包括飞秒激光光源和光扫描装置，如数字微镜装置（DMD）等。而其主要成本来源于激光光源，典型寿命约为20000小时。因此将制造时间从几天减少到几分钟，可以大大延长激光寿命，并间接将平均打印成本从88美元/mm3降低到1.5美元/mm3，降低了98%。

尽管劳伦斯·利弗莫尔国家实验室和香港大学的实验迄今仅限于聚合物材料，但该团队认为该方法有潜力在将来扩展到其他材料，例如金属和陶瓷。研究团队看好将FP-TPL用于光学及生物医药等学科的实验研究，制造包括光子晶体、纳米机器人、生物支架或超材料等实验器材。（phys.org网站12月20日消息）

美陆军发布科技进步十大名单 美国陆军研究实验室挑选了2019十大科技进展，以展示陆军科学家和工程师对未来士兵的支持，分别为：开发新算法和功能，训练机器人在未知环境（如未来战场）中运行；可3D打印、受损时会自行愈合的环氧树脂材料；在物理复杂环境中发送定向无线电信号的机器人平台；名为CRYSTAL的AI系统，实现从成千上万种组合和元素中筛选材料；开发兴趣探测器，跟踪神经反应并评估在威胁环境中吸引士兵注意的因素；3D打印超强钢，比市售任何钢材坚固约50％，可取代当今坦克零件或支持未来最先进系统；可与任何水基液体反应的铝基纳米镓合金，无需催化剂即可按需制氢发电；水基防火电池，使用不易燃的水基溶剂替代锂离子电池中的高度易燃电解质；生物识别受体传感器，可集成到可穿戴设备以实时监测士兵的健康和表现；开发由塑料制成的人造肌肉，武装未来的陆军机器人。（美国陆军研究实验室12月26日消息）

IBM从海水提取材料制造新型高效环保锂电池 IBM Research旗下的电池实验室宣称研发出一种新型环保电池。该电池使用从海水中提取的3种材料，不仅可降低对金属原料钴与镍的需求，而且性能更加突出、成本更低、充电时间更短、能源效率更高。新型电池充电速度快，5分钟即可充满80%，功率密度高达10,000 W/L以上，能量密度达到800 Wh/L，远高于现在市面上能量密度为250-730 Wh/L的锂电池。新电池搭配新电极的同时，还采用了新型不易燃的液态电解质。研究合作单位包括Mercedes-Benz、电池电解质供货商Central Glass及电池制造商Sidus等公司。（IBM网站12月18日消息）

俄使用3D打印技术制造小型燃气涡轮飞机发动机 俄罗斯西蒙诺夫设计局利用3D打印制造技术，通过使用新型国产耐热金属和铝合金金属粉进行激光熔合制造发动机的关键部件，制成小型燃气涡轮飞机发动机，并成功通过了台架试验。据俄罗斯先期研究基金会表示，许多合金的强度比国外同类产品高20%，而且由于使用了新的金属3D打印技术，许多发动机关键部件的制造时间仅为原来的二十至三十分之一，生产成本降低了一半以上。根据研制计划，完成台架试验后的发动机将于2020年1月-2月在轻型无人机上进行飞行测试。（business gazeta网站12月25日消息）

新纳米屏障可增强航天器有效载荷　多年来，碳纤维增强聚合物（CFRP）材料一直用于航天器和仪器结构中，但CFRP会吸收水分，导致材料膨胀并影响结构的稳定性和完整性。英国萨里大学和空中客车公司开发了一种多层纳米屏障，并创建具有更大尺寸和稳定性的CFRP材料，用于构建未来太空任务的高精度仪器结构，从而增强航天器的有效载荷。与目前数十微米厚的太空任务涂层相比，这种仅亚微米厚的薄纳米屏障不易遭受表面应力和污染，即使经过多次热循环，也能保持完整性，可极大降低在太空任务中使用CFRP的成本和危险。（Nature Materials网站12月23日消息）

5G手机电容器体积缩小至五分之一，容量增加十倍 苹果和华为供应商日本村田制作所开发出用于“5G”智能手机等终端的“多层陶瓷电容器（MLCC）”超小型电子元件。该电容器尺寸仅为0.25 mm×0.125 mm，是现有电容器的五分之一，但蓄电容量却增加了十倍。村田制作所通过采用精制的陶瓷粉末材料，使构成零件层的薄板变得更薄，为堆叠更多薄板创造了空间，从而增加了存储容量而又不占用电路板上的更多空间。该电容器将有助于5G手机的小型化和高性能化，并将于2020年春季进入量产阶段。以多层陶瓷电容器为中心的电容器是村田制作所的主力业务，2018年度销售额达到5742亿日元（约380亿人民币），占总销售额的37％，全球市场份额的40％。该公司考虑凭借高水平技术加强高附加值的元件，拉开与韩国企业等竞争对手的差距。（NIKKEI Asian Review网站12月19消息）

超薄涂层使温度变化对红外摄像机隐身　美国威斯康辛大学麦迪逊分校、哈佛大学、普渡大学、麻省理工学院和布鲁克海文国家实验室合作开发出通过掩盖物体热特性而隐身的超薄涂层，有望用于人、车隐形技术。研究人员在蓝宝石基底上制作了氧化镍钐（SNO）薄膜，发现SNO被加热时温度几乎没有升高，尤其在105℃到135℃之间时非常稳定。通常材料在加热或者冷却时电阻的变化非常缓慢，但SNO的电阻以非常规方式发生变化，导致SNO从绝缘态转变为导电态，这使得SNO在一定温度范围内的热发光特性几乎是相同的。由于热光发射不会随着温度的变化而改变，热光辐射和温度在这30℃的范围内不再耦合，因而红外摄像机无法捕捉到物体的温度信息。此研究不仅为设计反红外成像材料奠定了基础，还为制造新型光学元件、乃至改进红外摄像机铺平了道路。（威斯康辛大学麦迪逊分校网站12月18日消息）

美开发高性能柔性全色光电传感器 美国和韩国组成的研究团队研制出了一种低温制造（150℃）的、二维像素化的全色光电探测器。该探测器是由胶体量子点与非晶态铟镓锌氧化物半导体耦合而成，量子点还引入螯合硫氨酸配体（金属和半导体的组合配体），以实现超高的光电探测性，这些成分在广泛的波长范围内表现出了极高的光探测率和光响应率。与单一或窄带光电探测相比，二维全色光电探测在获取可靠而全面的信息方面具有显著优势。研究小组基于这些技术在类似皮肤的柔性材料上实现了波长可区分的光电晶体管电路阵列。作为一种多功能和可扩展的方法，这项技术可用于宽光谱图像传感器和生物设备，如神经形态图像传感器、柔性机器人和生物健康监视器。（phys.org网站12月18日消息）

新加坡开发大面积柔性近红外发光二极管 红外发光二极管（LED）通常作为光通信和隐蔽照明的光源，应用于远程控制器和安全摄像机等设备中。然而在可穿戴设备等需要近距离大面积照明的领域，它的小点发光特性使其应用受到限制。近日，新加坡国立大学使用低成本溶液处理方法制备了高效、大面积的新柔性的近红外LED，发光面积达900平方毫米，比传统近红外LED高几个数量级。这种近红外发光LED基于钙钛矿材料，通过全新的器件结构，使注入钙钛矿电子和空穴（负电荷和正电荷）能够精确的控制，一定数量的相反电荷可以相遇并高效生成光。该方法还将大面积器件的重现性大幅提升。研究人员表示新器件可支持包括面部识别的隐蔽照明技术和AR/VR眼球追踪技术，特别是适用于皮下深层组织照明，如可穿戴健康跟踪设备。（新加坡国立大学网站12月18日消息）

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