在3D打印水凝胶里”长”出金属！强度提升至20倍

近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）研究人员突破性开发出在水基凝胶内部“生长”出金属与陶瓷的3D打印技术。该技术通过独特的“灌注-沉淀”循环，在预先打印的“空白”水凝胶支架内原位合成高负载量的金属纳米颗粒，最终经热处理获得结构精密且异常致密的新材料，为生物医疗和传感、能量转换存储等领域开辟了新途径。

 现有方法的局限性

研究团队指出，目前，用于制造陶瓷/金属材料的主流光固化3D打印方法包括：

浆料法：将陶瓷/金属粉末分散在光敏树脂中，3D打印形成生坯后经热处理获得最终结构。但粉末的存在导致树脂粘度增加和光散射，影响打印质量与精度。

无机-有机杂化光刻胶法：使用含金属杂原子的可光聚（大分子）单体，打印后直接热解为陶瓷/金属。此方法虽避免了光散射，但可用前驱体有限，且聚合物-陶瓷转化过程中收缩率大。

近年来，利用金属盐溶液的方法展现出了潜力。该方法兼具浆料法的组分多样性和杂化树脂法的精细特征尺寸。研究团队此前开发的水凝胶灌注增材制造（HIAM） 技术即属此类，实现了“先打印后选材”的新范式。然而，该方法及其它金属盐方法仍普遍存在高收缩率（50–90%） 的问题，导致零件翘曲、开裂和孔隙率高，难以实际应用。

 凝胶内“长”金属

研究团队在《先进材料》期刊发表的最新论文中提出了一种创新性的方法，采用灌注-沉淀策略，通过在3D打印的凝胶支架内原位沉淀金属纳米颗粒，大幅提高金属负载量，从而制备出低收缩、高密度的陶瓷与金属三维结构。

图：尺寸为1.3×1.0厘米的铁质螺旋二十四面样件，来源：EPFL

研究团队指出，经过5-10次“生长循环”后，他们最终通过热处理去除残留凝胶，获得了与原始聚合物形状高度一致且具有高致密度的金属制品。由于金属盐是在制造完成后才注入，单个凝胶模板可转化为多种复合材料、陶瓷或金属。

 三大关键指标的显著提升

该技术制备的金属结构在关键性能指标上实现了显著突破，具体表现在以下方面：

首先，在尺寸稳定性方面，该方法成功实现了极低的线性收缩率。通过重复灌注-沉淀循环在凝胶内部原位生成高负载量纳米颗粒，有效减少了热处理过程中的体积收缩。最终获得的铁（Fe）、铜（Cu）和银（Ag）结构的线性收缩率分别控制在了38%、46%和37%的极低水平，远低于传统金属盐溶液方法通常带来的60%-90%的收缩率。

图：微型银螺旋二十四面体样件（图中刻度间距为1毫米）

其次，所得结构的理论密度达到了前所未有的高度。论文中所示的微计算机断层扫描测定结果所示，铁、铜、银结构的理论密度分别高达88%、84%和84。这表明材料内部孔隙率极低，异常致密。。

最重要的是，该技术使零件的机械性能得到了数量级上的提升。压缩测试结果表明（论文中图4c, d），氧化铁（Fe₂O₃）和纯铁（Fe）结构的抗压强度分别达到约2 MPa和约5 MPa。与此形成鲜明对比的是，采用传统水凝胶灌注增材制造技术制备的同类样品，其抗压强度仅为约0.1 MPa和0.2 MPa。这意味着新技术的采用使得金属样件抗压强度约是上一代技术的20至25倍。

论文图4：a) HIAM 传统工艺 与 b) 本研究”灌注-沉淀”新方法 所制备的Fe₂O₃和Fe螺旋二十四面体样件在密度与收缩率上的对比。c) Fe₂O₃ 与 d) Fe 螺旋二十四面体样件在压缩测试下的代表性工程应力-应变曲线。

 推动产业化应用

研究团队通过制造铁、银、铜材质的螺旋二十四面体等复杂的曲面晶格结构，验证了该技术制造先进三维结构的能力。如上图所展示的直径为1.3×1.0厘米的铁质螺旋二十四面体极小曲面样件，结构完整，变形极小。该技术特别适用于需要同时满足高强度、轻量化与复杂结构的三维器件制造，如传感器、生物医疗设备、能量转换存储装置等。

目前，研究团队正致力于通过进一步提升材料致密度和采用机器人自动化流程来缩短多次灌注带来的工艺耗时，以推动该技术的产业化应用。这项技术不仅提供了一种高性能金属、陶瓷的制造方案，更巩固了“先打印后选材”的增材制造新范式，为未来多功能三维器件的设计与制造开辟了广阔道路。