[启明增材制造]3D打印技术在复杂结构制造方面具有显著优势，已渗透到制造业、建筑、汽车、生物医药及能源等各行各业。多功能金属-聚合物复合材料在三维电子、热管理、能量存储和电磁波传输等领域具有广阔的应用前景，但聚合物和金属材料在熔点及力学等方面存在兼容性难题，实现聚合物-金属一体化3D打印面临巨大挑战。

为解决上述难题，中国农业大学工学院何志祝教授课题组提出一种新颖的3D打印聚合物体素金属化策略，通过精准定制聚合物-金属双相互嵌微结构，实现了力-热-电协同耦合增强，特别是获得了各向异性的力学(1.67)，热学(27.2)和电学(>1012)性能。相关研究内容以“Volume-metallized 3D-printed Polymer Composites”为题发表于国际期刊《Advanced Materials》，博士生于得海为第一作者。

受人体骨骼多孔结构启发，研究人员采用熔融沉积成型式（FDM）3D打印技术制造具有可调控孔隙率和微观结构取向的ABS聚合物三维结构，并通过真空抽灌方法驱动镓基或铋基低熔点金属渗透到聚合物空隙中，从而形成聚合物-低熔点金属双连续互嵌结构（VMPC）。进一步，通过协同优化3D打印结构参数和微流道内低熔点金属灌注压力，可实现复杂几何形态的VMPC制备。

图1体素金属化3D打印聚合物三维复杂结构制造工艺

得益于低熔点金属和聚合物互连双相结构，VMPC的力学拉伸和压缩性能显著优于聚合物。当低熔点金属铋铟锡体积含量为30.1%时，VMPC拉伸强度和拉伸模量分别达到了35.41 MPa和3.9 GPa，相较于聚合物自身提升了45.06%和80.56%，力学拉伸各向异性比例达到1.67。研究发现，具有微观垂直结构的VMPC力学强度和弹性模量提升效果最为明显，提升幅度分别达到109.58%和160.77%。

图2 体素金属化3D打印聚合物力学性能表征

ABS聚合物的热导率只有0.2 W/m/K，限制了其在热管理方面的应用。实验测和理论模型分析发现，VMPC高热导率得益于低熔点金属互连结构。具有平行微观结构的VMPC（镓体积30.1%）热导率沿取向方向可达25.29 W/m/K，相较于聚合物自身提升了125倍，同时相变潜热达到了385.4 J/cm3，但垂直于取向方向的热导率仅为0.93 W/m/K（各向异性比例高达27.2），这种独特的各向异性导热特性为传热路径优化设计提供了崭新的研究思路。

图3体素金属化3D打印聚合物热学性能表征

VMPC兼具高相变潜热和高热导率，同时可定制复杂的散热结构，从而在电子芯片热管理方面展现出重要的应用潜力。本文定制的VMPC散热翅片可有效抑制LED器件的温升，在控温24分钟时器件温升仅7.4℃，显著低于铜翅片（35.1℃）。本文进一步探究了VMPC在光-热-电能转换方面的应用，为温湿度无线传感器提供了一种供电方式。

图4 体素金属化3D打印聚合物热管理和储能应用

聚合物通常缺乏本征导电性，VMPC展现出独特的电学性能。具有平行微结构的VMPC（铋铟锡体积80.1%）电导率沿取向方向高达1.12 × 106 S/m，且各向异性比例大于1012。VMPC高导电性使其具有高达67.7 dB的电磁屏蔽效果，同时定制的VMPC喇叭天线展现出15.21 dBi的增益效能。

图5 体素金属化3D打印聚合物电学性能及应用

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总结与展望