美國研究者開發(fā)出具有超彈性的3D打印形狀記憶合金！

導(dǎo)讀：激光粉末床融合是一種 3D 打印技術(shù)，特別是在制造具有復(fù)雜幾何形狀的鎳鈦形狀記憶合金時(shí)十分具有潛力。盡管這種制造技術(shù)對(duì)生物醫(yī)學(xué)和航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用很有吸引力，但它很少用于實(shí)現(xiàn)鎳鈦形狀記憶合金的所需的超彈性。因?yàn)樵?D打印過程中產(chǎn)生的缺陷和施加在材料上的變化的力阻止了超彈性在3D打印的鎳鈦合金中的實(shí)現(xiàn)。

2022年5月，南極熊獲悉，德克薩斯A&M大學(xué)的研究人員通過激光粉末床融合制造形狀記憶合金，展示了卓越的拉伸超彈性，是文獻(xiàn)中報(bào)道過的3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)的最大超彈性的兩倍，這項(xiàng)研究最近發(fā)表在Acta Materialia期刊上。



鎳鈦形狀記憶合金具有多種應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兡軌蛟诩訜峄蛳┘拥膽?yīng)力后恢復(fù)其原始形狀。因此，可用于生物醫(yī)學(xué)和航空航天領(lǐng)域的支架、植入物、手術(shù)器械和飛機(jī)機(jī)翼。然而，開發(fā)和正確制造這些材料需要廣泛的研究來表征其功能特性和檢查微觀結(jié)構(gòu)。

此文的研究者說：“形狀記憶合金是可以記住其高溫形狀的智能材料，雖然它們可以以多種方式使用，但將形狀記憶合金制造成復(fù)雜的形狀需要微調(diào)以確保材料具有所需的性能?！奔す夥勰┐踩诤鲜且环N增材制造技術(shù)，它提供了一種有效生產(chǎn)鎳鈦形狀記憶合金的方法，為快速制造或原型制作提供了途徑。這種技術(shù)類似于聚合物 3D 打印，使用激光逐層熔化金屬或合金粉末。逐層工藝可以創(chuàng)建具有復(fù)雜幾何形狀的零件，這在傳統(tǒng)制造中是不可能的。研究者還指出：“使用 3D 打印機(jī)，將合金粉末均勻分布在基材上，然后使用激光熔化粉末，形成一個(gè)完整的層，我們重復(fù)這種分層，掃描相同或不同的圖案，直到形成所需的結(jié)構(gòu)?！?br />
不幸的是，大多數(shù)鎳鈦材料無法承受當(dāng)前的激光粉末床熔合工藝，經(jīng)常會(huì)因大的熱梯度和氧化脆性而導(dǎo)致打印缺陷，如孔隙、翹曲或分層。此外，激光在打印過程中會(huì)因蒸發(fā)而改變材料的成分。為了解決這個(gè)問題，研究人員使用了他們?cè)谥暗难芯恐袆?chuàng)建的優(yōu)化框架，該框架可以確定最佳工藝參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)無缺陷的結(jié)構(gòu)和特定的材料特性。

有了這個(gè)框架，以及成分和工藝參數(shù)的變化，研究人員制造了鎳鈦零件，在打印條件下（沒有制造后熱處理）始終表現(xiàn)出6%的室溫拉伸超彈性。這種超彈性水平幾乎是之前在 3D 打印文獻(xiàn)中看到的數(shù)量的兩倍。


△拉伸性能的比較

通過 3D 打印生產(chǎn)具有更高超彈性的形狀記憶合金的能力意味著這些材料能夠更大程度的抵抗施加的變形。使用3D打印開發(fā)這些優(yōu)質(zhì)材料將降低制造過程的成本和時(shí)間。未來，研究人員希望他們的發(fā)現(xiàn)能夠增加打印鎳鈦形狀記憶合金在生物醫(yī)學(xué)和航空航天應(yīng)用中的使用。

研究者指出：“這項(xiàng)研究可以作為如何打印具有所需機(jī)械和功能特性的鎳鈦形狀記憶合金的指南，如果我們可以定制晶體結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)，這些形狀記憶合金可以用于更多的應(yīng)用。”

這項(xiàng)研究由美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室、國家優(yōu)先研究計(jì)劃資助、卡塔爾國家研究基金和美國國家科學(xué)基金會(huì)資助。
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