微纳金属3D打印技术应用：AFM探针？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2022-09-27 09:28 标签： 最难的3d立体金属拼图

在光线下形成聚合物或长链分子的树脂或其他材料，对于从建筑模型到功能性人体器官部件的3D打印而言是十分有吸引力的。但是，在单个体素的固化过程中，材料的机械和流动特性会发生怎样变化，这一点很神秘。体素是体积的3D单位，相当于照片中的像素。

图为聚合树脂单个体素的3D地形图像，被液体树脂包围。（NIST的研究人员使用样品耦合共振光流变学（SCRPR）技术来测量3D打印和固化过程中材料性质在小尺度上实时变化的方式和位置。）图片来源：NIST现在，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员已经展示了一种新型的基于光的原子力显微（AFM）技术——样品耦合共振光学流变学（SCRPR），它可以在材料固化过程中以最小的最小尺度测量材料性质在实际中的变化方式和位置。NIST材料研究工程师Jason Killgore说：“我们对工业方法产生了浓厚的兴趣，而这只是一些会议讨论的结果。”他和他的同事现在已经在“Small”杂志上发表了这项技术。三维印刷或增材制造受到称赞，可以十分灵活、高效地生产复杂零件，但其也有缺点，就是会在材料特性方面引入微观变化。由于软件将零件渲染为薄层，在打印前三维重建它们，因此材料的整体属性不再与打印零件的属性相匹配。相反，制造零件的性能取决于打印条件。NIST的新方法可以测量材料如何随亚微米空间分辨率和亚毫秒时间分辨率发展的——比批量测量技术小数千倍且更快。研究人员可以使用SCRPR来测量整个固化过程中的变化，收集关键数据，以优化从生物凝胶到硬质树脂的材料加工。这种新方法将AFM与立体光刻技术相结合，利用光线对光反应材料进行图案化，从水凝胶到增强丙烯酸树脂。由于光强度的变化或反应性分子的扩散，印刷的体素可能变得不均匀。AFM可以感知表面的快速微小变化。在NIST SCRPR方法中，AFM探针持续与样品接触。研究人员采用商业AFM，使用紫外激光在AFM探针与样品接触的位置或附近开始形成聚合物（“聚合”）。该方法在有限时间跨度内，在空间中的某一个位置处测量两个值。具体而言，它测量AFM探针的共振频率（最大振动的频率）和品质因数（能量耗散的指标），跟踪整个聚合过程中这些值的变化。然后可以使用数学模型分析这些数据，以确定材料属性，例如刚度和阻尼。用两种材料证明了该方法。一种是由橡胶光转化为玻璃的聚合物薄膜。研究人员发现，固化过程和性能取决于曝光功率和时间，并且在空间上很复杂，这证实了快速，高分辨率测量的必要性。第二种材料是商业3-D印刷树脂，在12毫秒内从液体变成固体。共振频率的升高似乎表明固化树脂的聚合和弹性增加。因此，研究人员使用AFM制作了单个聚合体素的地形图像。让研究人员感到惊讶的是，对NIST技术的兴趣远远超出了最初的3D打印应用。NIST的研究人员表示，涂料，光学和增材制造领域的公司已经开始感兴趣，有些正在寻求正式的合作。

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1982年，国际商业机器公司苏黎世实验室的G..Binnig和HeinrichRohrer及其同事们共同研制成功了世界上第一台新型的表面分析仪器—扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope，简称STM)。STM的出现，使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态，研究与表面电子行为有关的物理和化学性质，在表面科学、材料科学等领域的研究中具有重大的意义和广阔的应用前景，被国际科学界公认为八十年代世界十大科技成就之一。为表彰STM的发明者们对科学研究的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔因此获得诺贝尔物理学奖。 STM是继高分辨透射电子显微镜，场离子显微镜之后，第三种在原子尺度观察物质表面结构的显微镜，其分辨率在水平方向可达0.1nm，垂直方向可达0.01nm，它的出现标志着纳米技术研究的一个最重大的转折，甚至可以标志着纳米技术研究的正式起步，这是因为STM具有原子和纳米尺度的分析......

随着光学技术的不断进步，偏光显微镜的应用范围也越来越广阔，许多行业，如化工，半导体工业以及药品检验等等，都广泛地使用偏光显微镜。偏光显微镜产品优势：锥光观察更加清楚。1、优势的散热装置，LED照明可选。2、无限远光学系统，成像更加清晰。3、真正无应力物镜，中心可调，保证实验数据的精准性。4、微调格值

最早的雏形应该是相机型显微镜，将显微镜下得到的图像通过小孔成象的原理，投影到感光照片上，从而得到图片。或者直接将照相机与显微镜对接，拍摄图片。随着CCD摄像机的兴起，显微镜可以通过其将实时图像转移到电视机或者监视器上，直接观察，同时也可以通过相机拍摄。80年代中期，随着数码产业以及电脑业的发展，显微

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公司经营的主要产品有：工业显微镜、金相显微镜、大平台金相显微镜、测量显微镜、非接触三座标测量显微镜、偏光显微镜、数码显微镜、显微镜数码相机接口、体视显微镜专用冷光源、生物显微镜、体视显微镜、数码图像处理系统及代理国内外专业生产厂商的先进高科技仪器（包括：进口显微镜、离心机、天平、超低温冰箱等）。

随着电视技术的发展，电视录像已愈来愈广泛地应用于显微镜领域．并且已经制造出专门的电视显微镜。通过一个电视环形闭路系统，在显微镜上所观察到的标本的像，可以直接显示在电视接收机的荧光屏上。并且还可以把标本的像录在录像磁带上，需要时非常方便地再次显示。图16．2就是一个电视显微镜及电视环形闭路系统。金相显

金相显微镜--电视显微镜介绍随着电视技术的发展，电视录像已愈来愈广泛地应用于显微镜领域．并且已经制造出专门的电视显微镜。通过一个电视环形闭路系统，在显微镜上所观察到的标本的像，可以直接显示在电视接收机的荧光屏上。并且还可以把标本的像录在录像磁带上，需要时非常方便地再次显示。图16．2就是一个电视显微

　　奥林巴斯显微镜在中国市场一直占据着非常大的市场份额，这是因为在很大程度上奥林巴斯显微镜相对其他公司的显微镜更具有价格优势。而且且奥林巴斯自有的无限远光学系统在业界也是有一定的口碑除了价格优势之外，奥林巴斯还有许多技术或性能上的优势值得大家认可的。 　　1、奥林巴斯显微镜有出色的性价比，可以满足

立体显微镜（stereomicroscope）一一它具有内建式的两部显微镜的光学系统,每一个系统由不同的角度以反射光观察不透明的标本, 此种显微镜一定要有双筒的目镜,因此所观察的物体可产生三度空间的立体影像。此显微镜亦可用来解剖微小的生物标本,工业上则可用来组合零件,因此又被称为   解剖显微镜 （

在很早之前，人们就开始研究金属与合金的性质及性能与组织之间的内在，以便找到保证金属与合金材料的质量和制造新型合金的方法，但直至显微镜问世后，人们才初步具备了对金属材料深入研究的条件。     人们在放大几百倍甚至上万倍的奥林巴斯金相显微镜下，来观察金属材料的内部组织，即金相组织结构，从而发现了金

金相显微镜金相显微镜是专门用于观察金属和矿物等不透明物体金相组织的显微镜。这些不透明物体无法在普通的透射光显微镜中观察，故金相和普通显微镜的主要差别在于前者以反射光，而后者以透射光照明。在金相显微镜中照明光束从物镜方向射到被观察物体表面，被物面反射后再返回物镜成像。这种反射照明方式也广泛用于集成电路

热电材料能够实现热电转换，具有安全、节能、环保等优点，近年来备受关注，许多学者也围绕其开展了大量的研究工作。在本文，仪器信息网为大家盘点了热电材料研究实验室常用的制备与表征仪器清单。

国内研究热电材料的课题组众多，在小编的雷达范围内，整理归纳了其中四个课题组的仪器展示表格：1.中国科学院上海硅酸盐研究所热电转换材料与器件研究课题组；2.中国科学院金属研究所热电材料与器件课题组；3.同济大学材料科学与工程学院热电课题组；4.哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院热电材料课题组。

一、中国科学院上海硅酸盐研究所热电转换材料与器件研究课题组

（课题组长：史迅研究员；副组长：柏胜强高级工程师；科研队伍：陈立东研究员、姚琴副研究员、瞿三寅副研究员、仇鹏飞副研究员等）

该课题组主要从事高性能热电材料的设计、制备与性能优化以及高性能热电器件的设计、制造与集成方面的研究，主要内容包括：1.声子液体电子晶体材料 (类液态材料)；2.类金刚石结构；3.笼状化合物；4.有机热电材料和有机/无机复合热电材料；5.热电薄膜与微型热电薄膜器件；6.高性能热电器件设计与制造技术；7.热电空调/发电系统设计与集成技术；8.热电材料与器件测量技术。

放电等离子体快速烧结设备

 霍尔系数测试设备

电导率及塞贝克系数测试设备 

X射线广角/小角衍射设备

二、中国科学院金属研究所热电材料与器件课题组

（课题组长：邰凯平研究员；小组成员：康斯清工程师）

该课题组长期从事功能材料设计、制备和性能表征方面的研究工作，以界面性质对材料物理、化学性能调控作用的共性基础科学问题为研究主线，主要研究内容包括：低维热电材料；多物理外场耦合仿真环境原位透射电镜表征；纳米结构抗辐照损伤材料。在原位透射电镜技术领域的成果被Science（350，9886，2015）、Chem Rev（116，11061，2016）、Adv

多靶磁控溅射沉积系统-1

多靶磁控溅射沉积系统-2

等离子体处理/原位TEM样品杆预抽系统

微束/飞秒激光微纳加工系统

电子束/热蒸发镀膜系统

3Omega频域法热导率测试系统

自主研制的各种类型原位仿真环境（JEOL/FEI）TEM样品杆

三、同济大学材料科学与工程学院热电课题组

（课题组长：裴艳中教授；小组成员：李文副教授）

该研究小组主要针对当前热电材料转换效率较低这一技术瓶颈，从热电材料所涉及的基本物理及化学问题出发，设计和开发出高转换效率热电材料和器件。立足于前期工作的基础之上，今后具体的研究对象主要集中在半导体材料，研究内容主要包括：1.先进的材料制备方法；2.电、热、光、磁及微观结构的表征方法；3.能源材料性能所隐含的基本物理及化学问题；4.理论指导下的新型能源材料设计和开发；5.其它应用背景的半导体新材料的研究与开发。

霍尔系数/塞贝克系数/电阻率同步测试 2个样品同时测试，300~900K，磁场1.5T

塞贝克系数/电阻率同步测试系统 2个样品同时测试，300~1100K

室温塞贝克系数测试系统

电弧熔炼系统高温热压系统（升温速率＞1000C/min）

台式扫描电镜&能谱


四、哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院热电材料课题组

（课题组长张倩教授，学术顾问刘兴军教授）

该课题组正式成立于2016年秋。主要研究方向为：热电半导体能源材料的电声输运调控、热电器件的设计与效率提升，柔性可穿戴发电与制冷器件。采用与相图工程和机器学习相结合的手段，优化传统热电材料，开发新型热电材料，促进热电发电与制冷的大规模商业应用进程。

电阻率/温差电动势测试仪-CTA


需要说明的是，以上仪器设备展示仅根据各课题组网站信息整理，并非各课题组实验室仪器的全部配置。因此，小编特整理了热电材料研究实验室常用的制备与表征仪器清单，供君参考。

热电材料研究实验室仪器配置清单

马弗炉/电阻炉/管式炉/实验炉

悬浮熔炼炉/电弧熔炼炉

电子束/热蒸发镀膜设备

赛贝克系数/电阻率测试系统

3月23日“热电材料表征与检测技术”主题网络研讨会

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