加州理工學(xué)院推進(jìn)納米級(jí)3D打印金屬研究，金屬強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)驚人提升

2023年10月15日，南極熊獲悉，加州理工學(xué)院(Caltech)的研究人員開發(fā)出一種新的3D打印技術(shù)，可用于打印微型金屬零件，以便更好地了解 3D 打印物體在納米尺度上的表現(xiàn)。據(jù)悉，新技術(shù)制造的金屬零件的強(qiáng)度比類似尺寸的零件要強(qiáng)得多，其細(xì)節(jié)、缺陷控制精度甚至可以達(dá)到納米級(jí)別。

這項(xiàng)研究是由材料科學(xué)、力學(xué)和醫(yī)學(xué)工程教授兼卡維里納米科學(xué)研究所所長朱莉婭·格里爾（JuliaR. Greer）的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的。在2022年之前的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，Greer 的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種制造工藝技術(shù)，用于打印微型金屬物體，其厚度可能只有幾張紙那么厚。今年，該團(tuán)隊(duì)將尺寸從微米尺度提升到了納米尺度。

△使用Julia R. Greer 實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的新技術(shù)制備的納米級(jí)晶格。圖片來源：加州理工學(xué)院

該研究以題為“Suppressed Size Effect inNanopillars with Hierarchical Microstructures Enabled by Nanoscale AdditiveManufacturing”的論文被發(fā)表在《Nano Letters》期刊上。合著者是 Wenxin 張 (MS '22)；ThomasT. Tran (MS '22)，材料科學(xué)研究生；Rebecca A. Gallivan（MS '22，PhD '23），曾就職于加州理工學(xué)院，現(xiàn)就職于蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院；新加坡高性能計(jì)算研究所李志；以及新加坡南洋理工大學(xué)和高性能計(jì)算研究所的 Ruoqi Dang 和 Huajian Gau。

相關(guān)論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c02309

這一研究突破將 3D 打印的零件縮小到之前實(shí)驗(yàn)尺寸的千分之一。結(jié)果揭示了一些有些出乎意料的事情：打印件越小，材料在原子尺度上顯得越無序。在正常尺寸的結(jié)構(gòu)中，這種無序?qū)?gòu)成低質(zhì)量的結(jié)構(gòu)，容易出現(xiàn)破損和其他缺陷。然而，在納米尺度上，這些材料的無序排列導(dǎo)致零件的強(qiáng)度比具有更“有序”排列的原子的結(jié)構(gòu)強(qiáng)三到五倍。

△納米級(jí)鎳柱的不規(guī)則內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖片來源：加州理工學(xué)院

利用納米級(jí)“缺陷”創(chuàng)造更穩(wěn)定的物體

這個(gè)復(fù)雜的過程涉及水凝膠的混合物，水凝膠是一種可以吸收大量水的聚合物，然后用激光進(jìn)行成型，使感光材料硬化成所需的形狀。在該硬化過程之后，通過液體溶液再次引入鎳的金屬離子。然后金屬被形成的水凝膠形狀吸收，隨后被暴露在高熱量下，水凝膠被燒結(jié)去除，只留下金屬。在最后一步中，通過化學(xué)剝離過程從金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)去除或轉(zhuǎn)化任何氧氣，從而在金屬結(jié)構(gòu)中留下一系列不規(guī)則形狀。然而，令人驚訝的是，這些有助于增加物體的強(qiáng)度，而不是削弱它。

Greer教授說：“在這個(gè)過程中，所有這些熱過程和動(dòng)力學(xué)過程同時(shí)發(fā)生，它們導(dǎo)致了非常非?；靵y的微觀結(jié)構(gòu)，你會(huì)看到原子結(jié)構(gòu)中的孔隙和不規(guī)則性等缺陷，這些缺陷通常被認(rèn)為是強(qiáng)度劣化的缺陷。如果你要用鋼材料制造一些東西，比如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體，你不會(huì)希望看到這種類型的微觀結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗鼤?huì)顯著削弱材料的強(qiáng)度。然而，這些不規(guī)則性（例如孔）在較大尺寸中是非常不受歡迎的，但在納米尺度上形成了一種增強(qiáng)邊界。該邊界允許材料移動(dòng)而不是破裂，并且由于這些變形在物體周圍均勻分布而給予材料更多的支撐。

△朱莉婭·格里爾。圖片來源：加州理工學(xué)院

主要研究作者和機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生 Wenxin Zhu 繼續(xù)說道：“通常，金屬納米柱中的變形載流子（即位錯(cuò)或滑移）會(huì)傳播，直到它可以在外表面逸出。但在存在內(nèi)部孔隙的情況下，傳播將很快終止于孔隙表面，而不是繼續(xù)穿過整個(gè)柱子。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，使變形載體成核比讓它傳播更難，這解釋了為什么目前的支柱可能比其對(duì)應(yīng)物更堅(jiān)固?！边@些缺陷的均勻分布會(huì)使得納米級(jí) 3D 打印物體的脆性更低，承載能力更強(qiáng)。

△機(jī)械工程研究生張文欣在納米制造實(shí)驗(yàn)室工作。圖片來源：加州理工學(xué)院

該研究最終實(shí)現(xiàn)肉眼看不見的納米級(jí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)化。Greer 教授和她的團(tuán)隊(duì)希望這能夠帶來多種用途，提高納米級(jí) 3D 打印金屬的耐用性，從而開辟新的研究和創(chuàng)新途徑。