极端制造 | 2022年第4期文章目录|文章|材料|极端制造|电化学|等离子体|聚合物|金属

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Volume 4 Issue 4 2022

极端制造第4卷第4期

封面解读

激光增材制造（laser additive manufacturing）“近净成形”复杂零件的技术特点为实现智能装备功能集成化提供了巨大契机。基于形状记忆合金的变形可回复特点，通过拓扑优化与增材制造技术的有机融合激发了构件在轻量化、高性能、多功能方面的发展潜力。

南京航空航天大学的顾冬冬教授课题组利用拓扑优化技术设计了基于形状记忆合金的轻量化梯度点阵结构，实现了构件轻量化、高能量吸收及优异的形状记忆功能。

随着基于增材制造的结构轻量化及多功能设计技术的不断发展，未来，人类也许能乘坐更加先进的软着陆航天器自由穿梭于太空，飞向更多星系去建造宇宙城市。

封|面|文|章

Chen W, Gu D D, Yang J K, Yang Q, Chen J, Shen X F. 2022. Compressive mechanical properties and shape memory effect of NiTi gradient lattice structures fabricated by laser powder bed fusion. Int. J. Extrem. Manuf.4045002.

文章导读

本期共发表12篇文章，5篇review，7篇paper。

Topical Reviews

[Review]The advanced multi-functional carbon dots in photoelectrochemistry based energy conversion

光电化学能量转换中的新型多功能碳点

Yunjie Zhou, Fan Liao, Yang Liu, Zhenhui Kang

本文综述了CDs及相应的CDs纳米复合材料的制备方法，包括表面修饰和杂原子掺杂策略。同时系统介绍了CDs的光电化学性质及其在光、电催化领域的应用、新型瞬态光电表征技术的发展和应用、以及CDs作为模型催化剂与TPV测试技术相结合的研究

DOI：https://doi.org/10.1088/2631-7990/ac8e3a

[Review]Advances in selective laser sintering of polymers

聚合物选择性激光烧结研究进展

Wei Han, Lingbao Kong, Min Xu

本文介绍了选择性激光烧结聚合物的基础理论；讨论了工艺参数对聚合物烧结过程的影响，及常用聚合物烧结研究进展；探讨了选择性激光烧结聚合物的最新应用研究，并对研究方向做了总结展望。

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DOI：https://doi.org/10.1088/2631-7990/ac9096

[Review]Electrostatic atomization minimum quantity lubrication machining: from mechanism to application

静电雾化微量润滑加工：从机理到应用

Wenhao Xu, Changhe Li, Yanbin Zhang, Hafiz Muhammad Ali, Shubham Sharma, Runze Li, Min Yang, Teng Gao, Mingzheng Liu, Xiaoming Wang, Zafar Said, Xin Liu, Zongming Zhou

本文系统揭示了低表面能液滴静电赋能机理，从分子结构的角度分析了纳米生物润滑剂的性能。同时阐述了雾化介质破碎和渗透的动力学行为，并展望了改善极端界面摩擦的工艺、设备和系统。

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DOI：https://doi.org/10.1088/2631-7990/ac9652

[Review]Recent progress in synthesis and surface modification of nickel-rich layered oxide cathode materials for lithium-ion batteries

锂离子电池高镍层状氧化物正极材料的合成及表面改性研究进展

Jing Li, Wentao Zhong, Qiang Deng, Qimeng Zhang, Chenghao Yang

本文系统分析了高镍层状氧化物正极材料的合成技术、表面改性及未来展望。从合成方法、溶剂选择、pH值和烧结温度等方面论述了高镍正极材料的合成工艺，并对高镍正极材料的表征技术进行了总结和讨论；基于元素周期表对高镍正极材料的表面改性进行了总结和讨论，并对表面改性机制进行了分析和讨论；讨论了锂离子电池高镍正极材料的发展前景。

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DOI：https://doi.org/10.1088/2631-7990/ac92ef

[Review]Mass transfer techniques for large-scale and high-density microLED arrays

大面积高密度microLED阵列巨量转移技术

Furong Chen, Jing Bian, Jinlong Hu, Ningning Sun, Biao Yang, Hong Ling, Haiyang Yu, Kaixin Wang, Mengxin Gai, Yuhang Ma, YongAn Huang

本文系统总结了巨量转移技术的研究进展，并强调了它们的潜在应用价值。文章首先介绍了巨量转移技术的重大挑战和简要的发展历史，并将巨量转移技术分为外延剥离和拾起技术两个部分，随后分别概述了每个代表性技术的原理和应用效果，最后阐述了巨量转移技术的潜在挑战和未来研究方向。

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DOI：https://doi.org/10.1088/2631-7990/ac92ee

Papers

[Paper]Burst mode enabled ultrafast laser inscription inside gallium arsenide

“脉冲序列模式”实现砷化镓内部超快激光雕刻

Andong Wang, Pol Sopeña, David Grojo

半导体内部的超快激光雕刻为单质光/电芯片的结构三维化和功能多样化提供了全新的加工途径。然而，由于半导体窄带系、高非线性的特点，超快激光聚焦过程中出现高密度自由电子和非线性畸变，导致内部加工仍然充满挑战。针对该问题，本文提出了使用高重复频率脉冲序列进行加工的新方法，通过高达太赫兹的重复频率，在焦点处有效地积累自由电子及损伤，从而有效避免了过多的焦前电子激发和非线性效应。通过最新的等离子体荧光观测技术，实验证实了该方法的优越性能，有效地增加了焦点处的能量密度。最终，基于该新方法，本文成功展示了砷化镓内部深层的三维加工能力，并成功应用于晶片的隐形切割。本文提出的方法有望为三维多功能光/电芯片的加工提供全新的加工手段。

DOI：https://doi.org/10.1088/2631-7990/ac8fc3

[Paper]Compressive mechanical properties and shape memory effect of NiTi gradient lattice structures fabricated by laser powder bed fusion

激光粉末床熔融NiTi梯度晶格结构的压缩力学性能和形状记忆效应

Wei Chen, Dongdong Gu, Jiankai Yang, Qin Yang, Jie Chen, Xianfeng Shen

点阵结构具有高刚度/重量比、高损伤容限、高吸能性能等优异的综合性能，在航空航天、运输和机械设备等领域受到了广泛关注。在本研究中，基于拓扑优化方法设计了四种梯度点阵结构（GLS），包括单向GLS、双向递增GLS、单向递减GLS和无GLS。文章采用激光增材制造（LAM）制备了4种不同梯度设计的NiTi点阵结构，研究了梯度分布特征对GLS变形模式和能量吸收性能的影响。结果表明，GLS逐层坍塌的变形机制提高了NiTi点阵结构的变形稳定性和承载能力，并获得了较大的可回复位移率。这些发现对未来LAM智能构件的性能/功能调控与轻量化设计及智能装备的多功能集成发展来说具有潜在价值。

DOI：https://doi.org/10.1088/2631-7990/ac8ef3

[Paper]Mechanical property and biological behaviour of additive manufactured TiNi functionally graded lattice structure

增材制造的TiNi功能梯度多孔结构的力学和生物学性能

Chaolin Tan, Cheng Deng, Sheng Li, Alessandro Abena, Parastoo Jamshidi, Khamis Essa, Likang Wu, Guohua Xu, Moataz M Attallah, Jia Liu

仿生多孔金属支架具有巨大的潜力，可以用作为人工骨替代物。本文基于仿生的理念，设计并采用LPBF增材制造成型了富钛马氏体TiNi径向梯度多孔结构（RGLS），模拟了自然人体骨骼结构特征。文章对RGLS样品的形态、力学性能、变形行为和生物相容性进行了系统表征，并与同孔隙率的均匀多孔结构样品进行比较。RGLS的分级孔隙率和孔径从中心到边缘分别为40%–80%和330–805µm。RGLS的压缩屈服强度为71.5MPa，远高于均匀样品（46.5MPa）。此外，细胞增殖研究表明RGLS比均匀结构具有更好的生物相容性。

DOI：https://doi.org/10.1088/2631-7990/ac94fa

[Paper]Plasma-enabled electrochemical jet micromachining of chemically inert and passivating material

面向化学惰性和强钝化性材料的等离子体辅助电化学射流微细加工技术

Jiajun Lu, Shunda Zhan, Bowen Liu, Yonghua Zhao

电化学射流微细加工技术在加工化学惰性半导体或易钝化金属材料时面临重大挑战，因为半导体材料难以在常规电化学条件下发生阳极溶解，而强钝化金属材料表面极易形成一层阳极氧化膜而阻碍电化学溶解。为了解决这一问题，本文提出了一种射流电化学等离子体复合微细加工技术。该方法通过过程参数控制使得电解液射流-工件接触区域产生具有明显介电特性的析出气体-氧化膜复合绝缘层、进而在加工表面微区（微米尺度）诱发绝缘击穿和表面放电，产生阳极等离子体。通过微细射流局部耦合电解和放电等离子体的物理化学效应，基于放电辅助电/热化学反应机理，实现了对电化学难加工材料如半导体材料Si、4H-SiC、强钝化性金属铌等材料的精密高效微细加工。

DOI：https://doi.org/10.1088/2631-7990/ac84b3

[Paper]Laser-assisted growth of hierarchically architectured 2D MoS2 crystals on metal substrate for potential energy applications

金属基底上激光辅助生长用于潜在能源领域应用的分层结构二维MoS2晶体

Parvin Fathi-Hafshejani, Jafar Orangi, Majid Beidaghi, Masoud Mahjouri-Samani

近年来，分层结构过渡金属二硫化物的大规模制备及用于能源转化与存储领域的电极设计受到研究人员的广泛关注。本文提出了一种新颖的混合激光辅助微/纳米图案化和硫化方法，用于直接在钼片上快速制造分层结构的二硫化钼（MoS2）薄层。为比较激光结构化和非结构化样品的性能特征，制作了锂离子电池单元并测量了其储能容量。在电流率为0.1 mA cm-2的情况下，分层结构的MoS2晶体表现出更高的性能，其比容量约为10mAh cm−2。这种直接在导电片上快速激光图案化和生长二维材料使得未来大规模和卷对卷制造能量和传感器件成为可能。

DOI：https://doi.org/10.1088/2631-7990/ac8f73

[Paper]Fabrication of extreme wettability surface for controllable droplet manipulation over a wide temperature range

用于宽泛温度范围内液滴操控的极端润湿性表面

Chengsong Shu, Qitong Su, Minghao Li, Zhenbin Wang, Shaohui Yin, Shuai Huang

本文报道了一种通过电化学掩模蚀刻和微细铣削复合工艺，在铝表面高效稳定制造极端润湿性表面的方法。通过实验和模拟研究了不同温度下极端湿润表面的热耦合特性、蒸发机理和液滴运输机制。研究表明，液滴在超疏水和亲水表面呈现不同的蒸发模式，通过控制亲水图案的几何形状可以实现液滴在不同图案上的可控蒸发。控制基底润湿性差异、液滴与亲水表面的接触面积和基底温度可实现液滴的可控弹跳。在Laplace压力差和温度梯度驱动下，可实现液滴的分离、汇合和抗重力运输。

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DOI：https://doi.org/10.1088/2631-7990/ac94bb

[Paper]Tailoring mechanical properties of PμSL 3D-printed structures via size effect

通过材料“尺寸效应”实现对微纳3D打印结构的力学性能调控

Wenqiang Zhang, Haitao Ye, Xiaobin Feng, Wenzhao Zhou, Ke Cao, Maoyuan Li, Sufeng Fan, Yang Lu

基于实验室客制化的原位微纳米力学实验平台，在光镜下和电镜里，系统研究了PμSL 3D打印聚合物结构单元的“尺寸效应”。研究发现，在特征尺寸（单元杆直径）从20 μm到60 μm范围内，PμSL打印的聚合物微纤维强度与韧性显著提高，表现出明显的尺寸相关的力学行为。而当特征尺寸减小到20 μm，断裂应变高达~100%，断裂强度高达~100 MPa。这种三维光固化打印聚合物的显著“尺寸效应”可以使得PμSL打印微晶格的材料强度和刚度可以在更大范围内进行设计与调控，从而使制备的微晶格机械超材料具有增强的/可调的力学性能，或作为模板按照特定用途优化，并适用于各种结构和多功能应用。

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DOI：https://doi.org/10.1088/2631-7990/ac93c2

关于期刊

《极端制造》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）是极端制造领域的首本国际期刊，致力于发表极端制造相关领域的高质量最新研究成果，文章形式主要为原创性和综述性文章。目前该刊共设四大栏目：材料与能场相互作用、工艺方法、极端功能材料/结构/器件、测量与系统。IJEM现已被SCI、EI、Scopus、CNKI等数据库收录。影响因子10.036(Q1)。中科院分区工程技术1区，TOP期刊。同时入选“中国最具国际影响力学术期刊”（TOP 5%）。钻石开放获取，免收作者版面费，双匿评审。

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