摘要：长春理工大学许金凯研究员、任万飞讲师团队提出了一种新型的飞秒激光辅助局部电化学沉积（FsLA-LECD）技术，通过精确控制飞秒激光与电化学沉积微区的耦合，实现了复杂金属微结构的高效制造，并显著提高了其机械性能。该技术不仅提高了沉积效率，还通过诱导纳米孪晶的形成
期刊：International Journal of Machine Tools and Manufacture (IF=18.8 )
发表日期：2025年8月8日
长春理工大学许金凯研究员、任万飞讲师团队提出了一种新型的飞秒激光辅助局部电化学沉积（FsLA-LECD）技术，通过精确控制飞秒激光与电化学沉积微区的耦合，实现了复杂金属微结构的高效制造，并显著提高了其机械性能。该技术不仅提高了沉积效率，还通过诱导纳米孪晶的形成，增强了微结构的力学性能，为微纳制造领域提供了新的技术手段。该研究成果以”A novel strategy for electrochemical additive manufacturing: Femtosecond laser-assisted localized electrochemical deposition“为题，发表在《International Journal of Machine Tools and Manufacture》期刊上。
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背景知识
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电化学增材制造（ECAM）是一种基于金属电沉积的制造技术，通过电解质中的金属离子在阴极表面获得电子并形成沉积层。尽管ECAM具有制造微几何特征的显著优势，但在实际应用中面临沉积效率低和难以有效调控微结构力学性能的挑战。传统方法通过优化电场分布、脉冲电沉积等技术提高沉积效率，但这些方法存在局限性，如高沉积速率可能导致浓差极化和沉积质量下降。
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研究方法
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实验装置与材料：研究团队构建了FsLA-LECD实验装置，使用0.5 mol/L CuSO4溶液作为电解质，铜镀硅片作为基底材料。通过高精度位移系统和CCD相机，实现了对微液桥位置和结构高度的精确控制。
飞秒激光耦合技术：FsLA-LECD技术将飞秒激光与电化学沉积过程耦合，通过精确控制激光参数如脉冲能量、重复频率和沉积条件如沉积电位，显著提高了沉积效率和微结构的力学性能。激光诱导的Marangoni效应增强了电解质的补充，提高了沉积电流密度。
结构表征与性能测试：利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和原位SEM微压缩实验等手段，对制造的微结构进行了详细的表征和力学性能测试。
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关键结论
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FsLA-LECD技术通过飞秒激光与电化学沉积的耦合，显著提高了沉积效率和微结构的力学性能。
激光诱导的Marangoni效应和电子加热效应共同促进了金属离子的传输和还原反应，提高了沉积效率。
飞秒激光的脉冲能量促进了纳米孪晶的形成，从而提高了微结构的力学性能。
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图片解析
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图1展示了FsLA-LECD技术的原理、实验装置示意图及实际实验装置，清晰呈现了传统LECD与FsLA-LECD的区别，即通过飞秒激光与电场耦合，精准作用于电化学反应微区，实现对电沉积过程的调控，为后续实验研究提供了基础框架。
图2通过对比传统LECD和FsLA-LECD的电化学微区反应机制，揭示了FsLA-LECD中激光诱导的Marangoni效应及电子加热效应，这两种效应共同作用，显著增强了电解质中金属离子的传输效率和电极反应动力学，有效缓解了传统LECD中的浓差极化问题，从而提高了沉积效率和质量。
图3阐述了FsLA-LECD技术中点-面-体结构形成的演化机制，从微液桥的建立、纳米颗粒的形成与聚集，到沉积层的形成以及最终目标结构的构建，详细描绘了在飞秒激光和电场共同作用下，复杂金属微结构逐步形成的过程，为理解该技术的结构制造原理提供了关键依据。
图4呈现了FsLA-LECD技术在早期电化学沉积阶段，即点-面形成过程中的微观结构演变，对比了LECD和FsLA-LECD在相同沉积时间下，成核区域面积的差异，突出了激光在促进成核、提高成核密度以及形成更均匀种子层方面的重要作用。
图5展示了LECD和FsLA-LECD方法制造的微结构高度随时间的变化趋势，直观地体现了FsLA-LECD在沉积速率上的显著优势，其更高的沉积速率和稳定的长期沉积性能，表明该技术在提高生产效率和保证结构质量方面的巨大潜力。
图6模拟了温度梯度对电解质流动的影响，揭示了FsLA-LECD技术中，激光诱导的Marangoni效应如何在微区内产生定向的电解质流动，这种流动有效地促进了电解质的更新和金属离子向反应界面的补充，从而进一步提高了沉积效率和质量，是该技术提升性能的关键因素之一。
图7进一步通过模拟展示了不同温度梯度下，微液桥内电解质流动速度的变化情况，随着温度差的增大，反应界面处的流动速度逐渐增加，这为精确调控沉积过程中的物质传输提供了理论支持，有助于优化FsLA-LECD技术的工艺参数。
图8研究了不同单脉冲能量下微柱的形貌以及沉积电流的变化情况，结果表明单脉冲能量对沉积效率有显著影响，存在一个最佳能量值使得沉积体积达到最大，过高或过低的能量均会导致沉积效率下降，同时电流的变化趋势也反映了激光能量对沉积过程的调控作用，为优化激光参数提供了实验依据。
图9探讨了不同激光参数对体积沉积率的影响，发现随着单脉冲能量的增加，体积沉积率先增加后减少，而重复频率存在一个最优值使得沉积率达到峰值，过高频率会导致过程不稳定，这为合理选择激光参数以实现高效沉积提供了重要参考。
图10通过对制备的微柱进行截面分析和元素分布检测，验证了FsLA-LECD技术制造的结构具有良好的内部致密性和成分均匀性，未发现明显缺陷，说明该技术能够有效促进金属离子的高效还原和晶体的均匀生长，保证了微结构的完整性和性能。
图11展示了FsLA-LECD技术制造的多种复杂微结构阵列，包括不同倾斜角度、间距的结构阵列以及复杂3D结构，证明了该技术在制造高精度、高一致性复杂微结构方面的强大能力，体现了其在微纳制造领域的广阔应用前景。
图12呈现了FsLA-LECD技术制造的具有不同直径变化的复杂铜微几何特征，如竹节状结构、变径结构以及高长径比微柱和沙漏状结构，表明通过精确控制激光能量、探针移动速度和沉积时间等参数，可以实现对微结构直径的精准调控，进一步拓展了该技术的应用范围。
图13通过TEM图像展示了不同单脉冲能量下FsLA-LECD样品的截面微观结构，揭示了激光能量对晶粒生长方向和尺寸的影响，为深入理解激光作用下的晶体生长机制提供了直观的微观结构证据。
图14对比了LECD和FsLA-LECD制造的样品的TKD取向图及晶粒尺寸统计，表明FsLA-LECD技术能够实现更均匀的晶粒生长，且晶粒尺寸随沉积结构的发展而逐渐增大，这与激光能量对离子传输和晶体生长的调控作用密切相关，为优化工艺参数以获得理想的微观结构提供了依据。
图15利用TEM图像和选区电子衍射图案对LECD和FsLA-LECD样品的微观结构进行了详细表征，证实了FsLA-LECD技术能够诱导纳米孪晶的形成，而LECD样品中则未观察到这种结构，纳米孪晶的存在显著提高了材料的力学性能，这是FsLA-LECD技术在高性能微纳制造领域的重要优势之一。
图16通过原位SEM微压缩实验，对FsLA-LECD制造的铜微柱的力学性能进行了测试，结果表明其压缩屈服强度达到了1.08 GPa，远高于传统电沉积制造的铜微柱。
图17以示意图的形式直观展示了FsLA-LECD技术提高沉积效率的原理，强调了激光诱导的Marangoni效应在促进电解质更新、补充金属离子以及加速电极反应动力学中的关键作用。
图18对FsLA-LECD技术与其他先进LECD方法在体积沉积率和微结构屈服强度方面的性能进行了对比，结果表明FsLA-LECD技术在提高沉积效率的同时，还能保持优异的力学性能，实现了效率与性能的协同提升，为微纳制造领域提供了一种具有突破性的新技术。
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总结与展望
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本文提出的FsLA-LECD技术，通过精确控制飞秒激光与电化学沉积过程的耦合，实现了复杂金属微结构的高效制造，并显著提高了其力学性能。该技术不仅提高了沉积效率，还通过诱导纳米孪晶的形成，增强了微结构的力学性能，为高性能微纳制造提供了新的技术手段。
未来研究将聚焦于建立多物理场耦合模型以深入理解激光与电化学反应的耦合机制，开发基于机器学习的工艺参数优化系统以实现参数的协同优化，以及设计多光束并行加工系统以满足工业生产需求。这些研究方向将推动FsLA-LECD技术从实验室走向工业应用，为微纳制造领域带来新的技术突破。
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来自：微流控
长三角G60激光联盟陈长军转载
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来源：江苏激光联盟