液态金属腐蚀打印技术的研究和应用

图10.11为铝板基体表面未腐蚀与已腐蚀区域状态对比图，通过图10.11b显示的在图10.11a中不同区域的XRD结果可知，未腐蚀（1）与已腐蚀（2）区域的XRD衍射峰在相同的位置，表明两个区域的化学成分是相同的。因此，铝板表面在经过液态金属腐蚀后没有任何化学成分的变化。

图10.11c显示的是区域1和区域2的3D视图的AFM图像，图10.11d为区域1和2的表面粗糙度沿c1和c2中标记线方向的变化情况，两个区域的平均粗糙度（Ra，算术平均偏差均值线）分别为187 nm和326 nm。由图10.11c、10.11d可知，铝板表面的粗糙度经过液态金属腐蚀后从平滑变为粗糙。

图10.11　铝板基体表面未腐蚀与已腐蚀区域状态［9］

a.未腐蚀（1）与已腐蚀（2）区域；b.未腐蚀（1）与已腐蚀（2）区域的XRD图；c.未腐蚀（c1）与已腐蚀（c2）区域的三维AFM图；d.未腐蚀（d1）与已腐蚀（d2）区域的粗糙度变化曲线。

铝板表面未腐蚀与已腐蚀区域的边界状态如图10.12a所示。从图中可以看出，液态金属层表面边缘整齐，60 s之后将液态金属从铝板表面去除，此时铝板表面的边界如图10.12b所示。对比图10.12a、10.12b可以看出，经过液态金属腐蚀后，图案边缘整齐度变差，边界线的偏差从图10.12a所示的0.8 μm变为图10.12b所示的38 μm，表明经过液态金属腐蚀后的铝板表面粗糙度增加。腐蚀区域1的AFM图像（图10.12b中标记1的区域）如图10.12c所示，其中，图10.12c1是3D视图，图10.12c2为图10.12c1中标记沿线的粗糙度变化曲线，测量得到区域1中的平均粗糙度Ra为508 μm。

铝板被腐蚀前后的表面形貌分别如图10.12d1和10.12d2所示。由图可知，腐蚀前铝板表面光滑无明显缺陷，经过液态金属腐蚀后，铝板表面出现了大量的微小裂缝。通过观察，可发现裂缝主要分布在铝晶粒界面，形成一个网络构造腐蚀表面。此外，铝板已经从表面有光泽的金属变为深棕色的、表面粗糙的状态。(www.xing528.com)

图10.12　铝板未腐蚀与已腐蚀区域的边界状态［9］

a.液态金属层与铝板层的边界线；b.腐蚀图案边缘线；c.腐蚀边缘的AFM图；d.未腐蚀（d1）与已腐蚀（d2）区域的表面形貌。

固液金属界面处由于浓度梯度而引起的质量迁移是液态金属对结构材料产生腐蚀的主要驱动因素。根据质量迁移的方向不同，纯金属的腐蚀机理主要包括两部分过程［14，15］：

（1）固态金属在液态金属中的溶解；

（2）液态金属原子到固态金属晶格中的扩散。

除此之外，部分纯金属和液态金属还可能在固液交界处形成金属间化合物，导致金属间化合物的扩散或对金属原子迁移起到阻碍作用。相对于固态金属在液态金属中的溶解，液态金属原子到固态金属晶格中的扩散能产生更加严重的腐蚀破坏效果。虽然液态金属中可能仅有微量的原子扩散到固态金属中，但微量的液态金属仍然可能导致金属相变或使材料产生明显的脆性变化［16-20］。