长春理工大学，在机械工程领域国际顶刊IJMTM上发表学术论文

发布日期：2026-01-28

近日，机电工程学院跨尺度微纳制造教育部重点实验室许金凯教授团队，在机械制造领域国际顶级期刊International Journal of Machine Tools and Manufacture（IJMTM，中科院一区，IF=18.8）上发表题为“A novel strategy for electrochemical additive manufacturing: Femtosecond laser-assisted localized electrochemical deposition”的研究类论文，该期刊在学术界具有极高的影响力，2024年度全球接稿量仅49篇。长春理工大学为第一通讯单位，机电工程学院博士研究生邹兆强为论文的第一作者，学院任万飞老师和许金凯老师为论文的共同通讯作者。

研究类论文

发表期刊：International Journal of Machine Tools and Manufacture

中科院一区 (TOP) IF: 18.8

A Novel Strategy for Electrochemical Additive Manufacturing: Femtosecond Laser-Assisted Localized Electrochemical Deposition

Zhaoqiang Zou, Wanfei Ren*, Jinkai Xu*, Hanhan Wei, Zhanjiang Yu, Ningqian Tang, Huadong Yu

Received 21 March 2025, Revised 2 August 2025, Accepted 4 August 2025, Available online 8 August 2025, Version of Record 12 August 2025.

DOI：https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2025.104319

邹兆强，任万飞*，许金凯*，韦含含，于占江，唐宁谦，于化东

长春理工大学

Zou Z, Ren W, Xu J, et al. A Novel Strategy for Electrochemical Additive Manufacturing: Femtosecond Laser-Assisted Localized Electrochemical Deposition[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2025: 104319.

定域电化学沉积（LECD）技术在制造微尺度三维金属结构方面具有显著优势，然而传统LECD技术受限于扩散控制机制：对沉积效率的追求必然导致沉积质量下降（如表面粗糙度增加和内部缺陷产生），进而降低结构力学性能。本研究提出了一种飞秒激光辅助定域电化学沉积（FsLA-LECD）技术。通过将飞秒激光辐照与电化学沉积微区精确耦合，并利用激光能量调控电化学沉积过程，该方法同步实现了高性能复杂金属微结构的高效制造。研究从“点-面-体”演化全过程揭示了激光辐照对传质过程、成核动力学及晶粒生长演化的调控作用。实验与计算分析表明：激光在反应微环境中诱导的马兰戈尼效应增强了微区电解液补充能力，使沉积电流密度显著提升，最终实现15.47μm³/s的体积沉积速率，较无激光条件下提升3倍。通过激光调控沉积速率，成功制备出等直径、竹节状及沙漏形等多种微结构。此外，脉冲激光能量驱动阶梯式电流增强，从而在铜微结构内诱导纳米孪晶形成，使其屈服强度达到1.08GPa，显著超越传统电化学沉积材料。本研究证明了FsLA-LECD技术兼具高效制造与增强力学性能的双重优势，为高性能微制造创新方法奠定了基础。

飞秒激光辅助电化学沉积，增材制造，高效率，微结构三维打印，纳米孪晶铜

1.提出了一种新型飞秒激光辅助定域电化学沉积技术

2.揭示了电化学沉积过程中跨尺度点-面-结构的演化机制

3.通过提升电子活性和传质速度实现电化学沉积效率的显著提高

4. 诱导纳米孪晶形成并有效增强结构的力学性能

图1 论文主要研究成果

电化学增材制造（ECAM）凭借无应力、近无缺陷制备微尺度金属结构的优势，在高长径比微柱、螺旋结构等功能器件制造中极具潜力。但传统技术存在两大瓶颈：一是沉积效率低，受扩散控制机制限制，提升效率易导致表面粗糙、内部缺陷等质量问题；二是微结构力学性能调控困难，难以满足高端应用需求。课题组提出的飞秒激光辅助定域电化学沉积（FsLA-LECD）技术，通过激光与电化学沉积微区的精准耦合，既利用激光诱导的马兰戈尼效应，提升传质效率，使沉积速率提高，又通过脉冲激光调控诱导纳米孪晶形成，提升了铜结构的屈服强度。该技术突破了效率与质量的矛盾，为微电子、生物医疗、精密传感等领域的微纳功能器件制备提供了新范式，推动微纳增材制造技术从“可制造”向“高质量、高效率制造”跨越，具有重要的科学价值与应用前景。

1. 传统LECD依赖离子扩散控制，效率与质量难以兼得。而 FsLA-LECD 通过飞秒激光的精准调控，实现了“1+1>2”的协同效应。飞秒激光的引入打破了传统扩散限制，通过光热效应与电场耦合，同时提升传质效率与反应动力学。

图2 （a）传统 LECD 原理：仅通过电场驱动离子在阴极还原，离子扩散慢；（b）FsLA-LECD 原理：飞秒激光聚焦于阴极/电解液界面，与电场协同作用；（c）实验装置原理图；（d）实验装置实物图；（e）喷嘴与基底局部放大图

2. 飞秒激光作用通过“传质增强+反应加速”双机制，平衡了沉积效率与质量。

图3 （a）传统 LECD：反应界面离子消耗快，离子补给不足导致沉积慢；（b）FsLA-LECD：激光诱导温度梯度产生Marangoni效应，加速离子向界面迁移；同时激光作用降低反应活化能，促进电子与铜离子结合，反应速率显著提升

图4 点-面-结构形成演化机制示意图

图5 点-面演化过程。(a) 沉积初期种子层形成过程示意图。(b) LECD与FsLA-LECD工艺在1-4秒沉积时间的形貌对比

图6 面-结构形成过程的微观结构形成实验图像。(a) LECD的表面-结构形成过程。(b) FsLA-LECD的表面-结构形成过程。在激光作用下，反应区内金属离子运动速度加快，促进了传质过程和电化学还原反应。

图7 温度梯度对液桥内电解质流动影响的模拟

图8 不同温度梯度下液桥内流速的模拟

图9 FsLA-LECD技术制备的微几何特征及电化学沉积过程中的电流变化。(a) 不同单脉冲能量下制备的微柱SEM图像。(b) 不同单脉冲能量对应的沉积电流与微柱体积

图10 FsLA-LECD技术制备结构的SEM图像。(a) 倾斜角为70º的结构阵列；(b) 双悬空结构阵列的45º视角图；(c) 双悬空结构阵列的前视图；(d) 复合结构的45º视角图；(e) 复合结构的前视图；(f) 由微柱阵列构成的“CUST”字母结构

图11 复杂铜微几何特征的制备。(a) 竹节状结构；(b) 变直径结构；(c) 高深宽比微柱；(d) 沙漏形结构

图12 LECD与FsLA-LECD制备样品的TKD取向图

图13 LECD与FsLA-LECD样品的表征与分析。

（1）探究了激光作用提升电化学沉积效率的机理。研究发现激光对阴极表面电子的热效应促进了金属离子的还原过程，加速了金属离子消耗；同时激光诱导的马兰戈尼效应以0.2m/s的速率增强了电解液流动，保障了反应界面金属离子的及时补充。激光作用使电化学沉积过程电流显著增强，从而提高了加工效率。

（2）分析了通过激光作用调控微几何特征形貌的方法。通过实验研究了激光作用在点（成核过程）、面（沉积层）、体（复杂结构）不同阶段形成过程中的影响与调控规律，探明了单脉冲能量对沉积效率的影响。在一定范围内，沉积速率与单脉冲能量呈正相关关系。通过调控沉积速率和喷嘴移动速度，实现了等直径结构、竹节状结构和沙漏形结构的制备。

（3）对FsLA-LECD过程中电流的研究表明，激光作用促使电流产生阶跃式增强，进而诱导纳米孪晶的形成。力学性能测试实验进一步证明，制备的铜结构表现出优异的力学性能，屈服强度达1.08GPa。这对高性能三维复杂结构件和梯度力学性能结构件的制造具有重要意义。

近年来，许金凯教授团队在定域电化学沉积领域开展了系统深入的研究工作，承担了国家重点研发计划、国家自然科学基金、军科委173基金等多项科研项目，取得了重要阶段性研究成果，除本文推送外，其他代表性研究工作（中科院一区SCI论文）链接如下：

https://doi.org/10.1088/2631-7990/ac3963（微纳结构定域电化学沉积）

https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2025.118832（流体参数对沉积过程的影响）

https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2023.118152（添加剂对沉积过程的影响）

https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2025.01.048（沉积微结构中纳米孪晶界生成）