祝贺团队在中科院一区期刊《Journal of Manufacturing Processes》发表学术论文

发布日期：2026-11-06

Manufacturing of Complex Micro Metallic Structures via discretized voxel-based Femtosecond Laser-Assisted Localized Electrochemical Deposition

Zhaoqiang Zou, Wanfei Ren *, Hao Jiang, Jiaji Cao, Ningqian Tang, Huadong Yu, Jinkai Xu*

Received 6 April 2026; Received in revised form 14 September 2026; Accepted 15 September 2026

Available online 19 September 2026

DOI：10.1016/j.jmapro.2026.09.044

邹兆强，任万飞*，姜浩，曹嘉冀，唐宁谦，于化东，许金凯*

长春理工大学

Zou Z, Ren W, Jiang H, et al. Manufacturing of complex micro metallic structures via discretized voxel-based femtosecond laser-assisted localized electrochemical deposition[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2026, 176: 457-469.

金属微结构是微机电系统、航空航天和柔性电子中的关键组成部分。然而，由于几何结构极为复杂，且难以实现高效的成型工艺，其三维制造面临诸多挑战。为解决这一问题，提出了一种基于离散体素的工艺策略，旨在探索飞秒激光辅助局部电化学沉积(FsLA-LECD)过程中金属结构的形成过程。在沉积电位为-0.5V、单脉冲能量为8μJ的条件下，铜离子还原与生长依次经历四个阶段：先聚集形成纳米簇，再形成连续致密层，随后有序堆积成三维体素，并最终融合为固体结构。相邻体素之间的过渡主要通过外延晶粒生长实现，即后续体素在现有体素界面处沉积。基于上述策略，成功制备出垂直柱状、螺旋结构以及小角度悬垂结构等复杂三维金属结构。本研究将离散化体素制造方法引入FsLA-LECD工艺中，将原本连续的电化学沉积过程划分为多个独立的沉积体素，为高效、可控制备三维金属微结构奠定了技术基础。

定域电化学沉积，体素高度控制，飞秒激光，金属微结构，三维微结构

1. 揭示电沉积点-面-体元-体形成机制

2. 通过主动控制体素高度实现三维微结构的制造

3. 实现从被动优化向主动设计的转变，适用于微金属电沉积3D打印

图1 (a) FsLA-LECD实验装置示意图，(b) FsLA-LECD工作原理示意图

在本研究中，我们提出了一种基于离散体素的飞秒激光辅助局部电化学沉积方法，以提高沉积过程的可控性和稳定性。研究表明，第一层沉积从边缘向中心进行，形成连续且致密的层状结构。此外，还发现相邻体素之间存在基底外延晶粒生长的机制，确保了体素界面处的可靠结合。通过利用实时电流信号反馈、顺序堆叠体素实现融合，成功制备出预设的复杂微结构。成功制造出大角度悬垂结构和三维螺旋等复杂微结构，深化了对FsLA-LECD技术中三维复杂微结构的成形规律及制造工艺的理解。基于离散体素的FsLA-LECD策略，为微米至纳米尺度复杂金属结构的高效、高精度、高性能制造提供了新的技术途径。

1. FsLA-LECD沿用传统LECD工艺特性，沉积演变决定形貌、均匀性与密度。在沉积电位−0.5 V、波长1030 nm、脉冲宽度720 fs、单脉冲能量8 μJ、重复频率10 kHz下，5 s内铜离子于基底/溶液界面还原并聚成离散点状纳米团簇，平均表面覆盖率(SCDC)为61.85%。随着沉积持续进行，团簇密度上升，SCDC达70.74%；微小团簇融合为大团聚体，SCDC升至99.15%。扩散区重叠后吸附原子向接触界面迁移连接，结构由半致密转为致密；覆盖率100%时铜颗粒横向扩展、拼接填隙成连续薄层，标志着沉积层生成，如图2所示。25 s后沉积层表面密度继续提高，层厚持续增大，为单体素构建奠定基础。

图2 点-面形成过程的形态演化变化。 (a) 5秒，(b) 10秒，(c) 15秒，(d) 20秒，(e) 25秒，(f) 30秒，(g) 点到面演化过程的机制示意图

2. 体素由二维向三维演变：将物质传递过程限制于液桥内，还原反应在基底/溶液界面持续进行并垂直逐层堆叠，二维表面转为三维体素。预设液桥高度h限制反应空间，决定体素尺寸；恒压下金属自基底垂直生长，H持续增加。CCD原位追踪沉积形貌，同步记录i-t曲线形成闭环反馈；持续监测至H趋近预设h即判定单个体素完成，保证实测高度与设计值一致。单体素高度h取3至10 μm，SEM与统计显示H与h高度吻合，证明精确控制瞬态微液桥几何，可实现三维金属体素直接、一步制造，如图3所示。

图3 采用预设液桥高度(h)分别为：(a) 3 μm，(b) 4 μm，(c) 5 μm，(d) 6 μm，(e) 7 μm，(f) 8 μm，(g) 9 μm 和 (h) 10 μm 制备的单个体素铜结构，(i) 预设液桥高度与实验测得单个体素高度的比较

3. 3至10 μm体素沿预设路径依次组装成微柱：单个沉积体素完成，根据实时电流反馈控制三轴精密位移台，移动探针至下一坐标并重复电沉积循环，多体素有序堆叠融合，逐步构建完整结构。体素完成时电流骤降，喷嘴换位重启循环后迅速恢复至前一稳定沉积阶段相近值。制造3至6 μm体素高度所用时间由13.9 s增至41.6 s，如图4和5所示。

图4 (a) 使用不同高度的体素构建柱状结构，(b) 提取相应沉积柱状结构的轮廓

图5在使用不同高度的体素制造微结构过程中记录的i-t曲线。各条曲线分别对应体素高度为(a)3 μm、(b)4 μm、(c)5 μm、(d)6 μm、(e)7 μm、(f)8 μm、(g)9 μm和(h)10 μm，(i)制造单个体素所需的时间

4. 如图6，基于点-表面-体素-体演化机制制造三维螺旋微结构并记录动态生长过程。60 s时反应区形成离散晶核并融合成连续层；130–200 s沉积物沿液桥轴向延伸、速率较低，完成表面向体素的纵向堆叠。270 s出现明显悬垂倾向；340–480 s借助实时反馈动态调整沉积参数、维持液-固接触界面，引导悬垂部分定向生长，480 s形成完整的螺旋结构。初始纵向阶段与悬垂成形阶段速率基本相当，表明工艺在不同几何特征下可控性与一致性良好。验证点-表面-体素-体路径是三维微结构形成的过程。

图6 螺旋结构的原位可视化。图像分别在(a) 60秒、(b) 130秒、(c) 200秒、(d) 270秒、(e) 340秒、(f) 410秒、(g) 480秒以及(h)最终成型螺旋结构时采集。不同线圈数量的螺旋结构。(i-l) 单线圈螺旋，(m-p) 双线圈螺旋

本研究阐明FsLA-LECD离散单元向三维微结构的演化，提出体素离散化工艺，破解几何复杂性、高密度与效率难以兼得的难题。沉积电位−0.5 V、单脉冲能量8 μJ下铜离子还原成离散纳米簇，覆盖率100%时水平合并成连续致密层，完成点向表面转变；进而以液桥限域、预设高度定尺寸，配合CCD原位与i-t闭环反馈，引导体素沿预设路径逐层堆叠、界面融合，制得倾斜角低至15°的悬垂结构与螺旋结构。螺旋分阶段生长与机制相互印证，验证点-表面-体素-体路径有效。该机制逐层抑制缺陷，保障连续性、力学性能与成型精度；全程无机械接触与分离，显著提升可靠性与效率，为复杂三维金属微结构可控制备提供新途径。