劉静、物理化学研究所：低融点多孔質金属材料の付加製造：性能、潜在的用途および課題

出典: 高分子科学の最前線

多孔質液体金属は、新しいタイプのユニークな材料として、熱制御エネルギー、電磁シールド、バイオメディカル、フレキシブルエレクトロニクスなどの分野で徐々に登場しています。同時に、常温液体金属に基づく積層造形技術は近年多くのブレークスルーを達成し、電子回路製造の分野でも大規模に市場に参入しています。ただし、低融点液体金属多孔質材料の積層造形はまだ初期段階にあります。従来の高融点金属とは異なり、低融点液体金属は内部の多孔質構造を素早く構築することが容易であるだけでなく、外部場の作用下で 3D 多孔質構造をインテリジェントに調整できるため、4D 多孔質金属材料の積層製造に新たな材料基盤を提供します。

最近、中国科学院物理化学研究所液体金属および極低温生物医学研究センターの劉静研究員のチームによる「低融点金属多孔質材料の付加製造：機能、潜在的用途、課題」と題するレビュー記事が国際誌「Materials Today」に掲載され、表紙記事として取り上げられました。本論文は、低融点液体金属多孔質材料の積層造形をテーマとして、材料の準備、性能、潜在的な用途、将来の課題について体系的に議論し、展望し、この新興分野の学術的概要を概説する。積層造形、4Dプリンティングなどの分野で材料と製造技術システムの繁栄を促進することが期待される。この研究は、中国国家自然科学基金（第91748206号）、中国科学院フロンティアプロジェクトなどの支援を受けて行われました。

グラフィカル分析

この記事では、物理化学的特性、電磁シールド性能、触媒エネルギー貯蔵、インターフェイス特性、およびバイオセーフティ、および現在の主要な製造型の潜在能力標準型の潜在能力のあるメカンティア型の微量飼料を使用して潜在能力を使用して実質的に潜在的な製造型を使用して実現可能性を含む、低融点金属の基本的な材料特性をレビューします。原料の準備と修正、異なる添加剤の製造プロセス：パウダーベッドの融合、指示されたエネルギーの押し出し、ハイブリッド印刷技術、および低融点金属の多孔質材料の添加剤の多孔質材料に基づく添加剤の多孔質材料の添加物が提案されています。エネルギーの熱管理、電磁シールド、触媒、バッテリーエネルギー貯蔵、バイオメディシンなどの材料が説明されています。

1. 低融点金属の基本的な材料特性

低融点金属とは、融点が 300 °C 未満の金属、合金、およびそれらの金属誘導体を指すことが多いです。合金元素の多結晶相特性と組成の違いにより、低融点金属の融点は異なります。なかでも、ガリウム系やビスマス系に代表される低融点金属は、常温以上で液体であり、沸点が高く蒸気圧が低いという特徴を有しており、比較的広い温度範囲で液体のままでいられる金属材料です。さらに、低融点金属は、固有の熱伝導性、電気伝導性、表面張力が高く、室温で可逆的な固液相転移を実現できます。製造プロセスでは高温精錬を必要とせず、環境に優しく無毒であるため、研究者から非常に好まれています。

図1 低融点金属の代表的な物理的性質

低融点金属の上記特性により、独特の電磁シールド特性、触媒特性、柔軟なエネルギー貯蔵、インターフェース特性、バイオセーフティなど、独自の機能特性がもたらされることがよくあります。例えば、低融点液体金属の流動性と液体の表面・界面特性に基づいて、液体金属の一連の非従来的な界面挙動が次々と研究されてきました。図2に示すように、これらは、自己駆動、心拍、エンドサイトーシス効果、自己成長、自己修復、色の変化、大規模変形など、低融点金属のバイオニック挙動です。

図2 液体金属界面特性に基づくバイオニックアプリケーション

低融点金属材料をさまざまな分野に適用する場合、まず材料の生物学的安全性を考慮する必要があります。現在、低融点金属の生物学的安全性は多くの生物学的用途で明確に説明されており、ガリウムおよびビスマスベースの低融点金属の優れた生体適合性と低い細胞毒性を示す証拠が増えています。図 3 は、過去 10 年間のバイオメディカル分野における低融点金属に関する典型的な研究を示しています。

図3 過去10年間のバイオメディカル分野における低融点金属の代表的な研究

2. 低融点多孔質金属材料の積層造形

現在、低融点金属多孔質材料の付加製造はまだ初期段階にあり、対応する進歩はまだ比較的小さいです。本稿では、既存の成熟した積層造形技術を参考に、粉末床溶融結合技術を例に、まず図 4 に示すように、低融点金属多孔質材料の積層造形技術ルートを計画します。次に、金属粉末・線材を原料として多孔質金属材料を作製する粉末床溶融結合技術と指向性エネルギー堆積技術、溶融金属を原料として多孔質金属材料を作製する材料押し出し成形積層造形技術について議論し、現在主流の積層造形技術を低融点金属多孔質材料に適用することの実現可能性を一つずつ明らかにした。図5と図6は、複合積層造形技術によって作製された低融点金属アレイ構造を示しています。

図4 粉末床溶融結合技術を用いた低融点金属多孔質材料の製造のための技術ロードマップ

図5 低融点金属格子構造を作製するための複合積層造形技術

図6 液体金属多孔質構造の制御可能な作製

3. 低融点多孔質金属材料の基本特性と潜在的用途

低融点金属多孔質材料は、金属材料の新しい分野として、低融点金属の基本特性と多孔質材料を完璧に組み合わせ、低融点金属材料の適応性を効果的に向上させます。低融点金属多孔質材料の基本特性は、主に自己修復性、柔軟性、金属の電気/熱伝導率の調整、自己成長、密度の調整、および生物学的特性の変更に反映されており、低融点金属多孔質材料に多機能特性と多様な応用展望を与えています。低融点金属多孔質材料は、熱源熱管理、触媒、電磁シールド、生物医学的応用、バイオニクス、フレキシブル電池エネルギー貯蔵の分野で広く推進され、応用されることが期待されています。図 7 は、低融点金属多孔質材料のさまざまな基本特性に基づいて開発できる一連の潜在的な用途を示しています。

図7 低融点多孔質金属材料の基本特性と潜在的用途

要約と展望

低融点金属は、積層造形分野で大きな応用上の利点を示しています。既存の低融点金属材料研究と成熟した積層造形技術を深く融合したり、そこから十分なインスピレーションを得て新しい技術を提案したりすることで、低融点金属多孔質材料の積層造形技術の発展に役立ち、多孔質金属材料システムと積層造形技術の繁栄を促進します。現在、低融点多孔質金属材料の積層造形は、依然として以下の課題に直面しています。

（１）材料の観点からは、低融点金属の持つ固有の特性の向上・改善に向けた長期的な取り組みが必要である。例えば、低融点金属の電気・熱伝導性、生体適合性、機械的特性をさらに向上させることは、低融点金属多孔質材料の用途拡大に大きな意義を持つことになります。また、低融点金属の融点を連続的に調整することは難しく、特定の温度範囲内で無毒な低融点金属の研究は未だ不足しており、今後は低融点金属の「物質ゲノムプロジェクト」の実施が急務となっている。

（２）低融点金属粉末の製造・改質に関して、既存の製造方法で製造された低融点金属粉末は、粉末粒子サイズやサイズ均一性の点で実用化には未だ大きなギャップがある。さらに、低融点金属多孔質材料の適応性を向上させるために、低融点金属粉末は、耐酸性、耐アルカリ性、耐腐食性、耐酸化性などの複数の安定性を備えている必要があります。低融点金属粉末の複合材料の製造、酸化のない保管、および改質が重要です。

（３）低融点金属多孔質材料の積層造形は、材料の特殊性を考慮すると、依然として技術的なボトルネックがあり、体系的な理論的指導が不足している。低融点金属多孔質材料の積層造形に関する理論体系を確立することが急務である。

（4）金属/非金属複合積層造形技術は、液体低融点金属多孔質材料の構造を維持するための新しいソリューションを提供します。この技術では、低融点金属と非金属材料の動作温度の違いを考慮するだけでなく、低融点金属と非金属の材料適合性と表面相互作用にも注意を払う必要があります。適切な非金属材料を見つけることは、低融点金属多孔質材料の複合積層造形にとって非常に重要です。

（５）４Ｄ低融点金属多孔質材料の電気・熱伝導率、細孔分布、微細形態のリアルタイム検出など、その物理的特性と性能の評価は依然として大きな課題に直面しており、４Ｄ低融点金属多孔質材料の物理的特性と性能のリアルタイム評価技術の開発にはまだまだ長い道のりが残されている。

全文リンク:

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.03.019

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