[发明专利]一种三维内连通多孔微纳结构及其增材制造方法

说明书

技术领域

本发明属于涉及一种微纳结构，特别涉及一种三维内连通多孔微纳结构及利用增材制造技术制造该多孔微纳结构的方法。

背景技术

三维周期内连通多孔微纳结构是一类分等级的微观精细结构，其结构符合几大基本特征：内部多孔且互相连通、孔排列具有周期性、孔尺寸具有分等级的特性。这类材料的研究涉及到拓扑学、材料学、化学、物理学等多学科交叉，研究内容涉及到其材料组成、结构和性能三大方面。三维周期内连通纳米多孔结构材料基于自身物质及结构两个方面的变化将会产生许多有趣而特殊的物理性质，如：周期结构对光的调制作用(如：多重散射效应、慢光子效应、光学禁带等)、结构比表面积的增大、孔内物质输运过程的变化等。这里提到的物质的变化是指多孔结构骨架的组成材料种类、数量及复合方式等，而所谓结构的变化则包括孔尺寸、孔周期性、孔堆积方式、孔连通性等。三维周期内连通纳米多孔结构基于其物质、结构及特殊物理性质等，可广泛应用于传感器、光学器件、催化反应器、微生物反应器、电池电极材料、特殊结构部件材料、药物输运等领域。

牺牲模板法是制备内连通多孔微纳结构的常用方法，该方法所制备材料的微观复杂结构较为精细、周期性可以保证较好。然而，该方法制备得到的材料易成薄膜、难成块体，目前报道的块体尺度大多在毫米级别，个别能做到厘米量级的报道却显示出体系微观结构周期的混乱化，失去了人工制备对其微结构有效控制的目的。不仅如此，该方法得到的材料的结构稳定性还容易出现问题，使得材料在催化、传感、光、电等很多领域的应用受到限制。导致这些问题的原因有两点：1、大体量下的自组装容易出现模板的各类结构缺陷；2、大块体在填充过程中很容易出现外部堵塞内部填不满的情况，这样的情况下所制备得到的三维周期内连通纳米多孔不仅失去了微结构可控性，还会出现严重的结构缺陷，甚至是坍塌。

因此，牺牲模板法制备三维周期内连通纳米多孔结构块体材料面临着一个难题，即：如何对微纳尺度上的微观结构进行精确控制和精细化设计，同时又把块体尺度增大？制备工艺的滞后使得这一对立问题显得突出，造成该材料应用和发展的局限。申请人对这一领域进行研究，希望寻求一种简单而普适的方法路线将这两个对立面统一起来，发展微观结构更加精细复杂化的三维周期内连通纳米多孔结构块体材料制备方法，从而可以为其进行更广泛的应用性研究提供支持。此外，受到方法学的限制，三维周期内连通纳米多孔结构材料在物质组成与设计方面也有很多难以克服的壁垒，如何实现这一体系的结构物质设计丰富化也具有很大的挑战性。如能实现该材料在物质组成上的丰富化将非常有利于扩展其功能化，甚至是复合功能化应用。

增材制造技术(又称三维打印技术)基于数字化模拟，通过对材料的层层累积来完成结构的搭建，其运行机制是一类具有普适性的方法学。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种三维内连通多孔微纳结构及其增材制造方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种三维内连通多孔微纳结构，包括核壳微球和间隙填充颗粒，所述核壳微球在三维空间呈周期性分布，所述间隙填充颗粒填充在各核壳微球的接触缝隙中，所述核壳微球直径为100纳米到500微米，所述间隙填充微粒的粒径范围为5纳米到199微米，所述间隙填充微粒的粒径是核壳微球直径的1％-30％。

优选的，所述核壳微球包括内核和包覆在内核外的外壳，所述内核材质为金属硫化物、金属硒化物或金属氧化物，所述外壳材质为二氧化硅、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯，所述内核直径不小于3纳米，并且与核壳微球体积比为3％-70％。

优选的，所述核壳微球以体心立方、面心立方或密堆六方结构在三维空间内分布，其球形度大于90％，所述多孔微纳结构在宏观三维空间中各向尺寸均大于5毫米。

优选的，所述间隙填充颗粒材质为硫化镉、硫化亚铜、硫化铜、硫化锌、硫化铅、硫化银、硫化亚铁、硫化铁、四氧化三铁、三氧化二铁、氧化锌、二氧化钛、氧化锆、氧化铈、钛酸钡、硒化镉或硒化铅。

增材制造所述三维内连通多孔微纳结构的方法，包括以下步骤：

1)、制备核壳微球和间隙填充颗粒；

2)、配制核壳微球溶体及间隙填充颗粒溶体；

3)、向增材制造设备中注入核壳微球溶体，所述核壳微球经自组装、液体蒸发后形成周期性排列的核壳微球层；

4)、向增材制造设备注入间隙填充颗粒溶体，所述间隙填充颗粒填入核壳微球层的间隙内形成微纳结构薄层；

5)、重复步骤3)和4)得到所述三维内连通多孔微纳结构。