加州理工學院推進納米級3D打印金屬研究，金屬強度實現(xiàn)驚人提升

2023年10月15日，南極熊獲悉，加州理工學院(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度比類似尺寸的零件要強得多，其細節(jié)、缺陷控制精度甚至可以達到納米級別。

這項研究是由材料科學、力學和醫(yī)學工程教授兼卡維里納米科學研究所所長朱莉婭·格里爾（JuliaR. Greer）的實驗室進行的。在2022年之前的實驗基礎(chǔ)上，Greer 的實驗室開發(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，該團隊將尺寸從微米尺度提升到了納米尺度。

△使用Julia R. Greer 實驗室開發(fā)的新技術(shù)制備的納米級晶格。圖片來源：加州理工學院

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)，材料科學研究生；Rebecca A. Gallivan（MS '22，PhD '23），曾就職于加州理工學院，現(xiàn)就職于蘇黎世聯(lián)邦理工學院；新加坡高性能計算研究所李志；以及新加坡南洋理工大學和高性能計算研究所的 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驗尺寸的千分之一。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致零件的強度比具有更“有序”排列的原子的結(jié)構(gòu)強三到五倍。

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

利用納米級“缺陷”創(chuàng)造更穩(wěn)定的物體

這個復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度，而不是削弱它。

Greer教授說：“在這個過程中，所有這些熱過程和動力學過程同時發(fā)生，它們導致了非常非常混亂的微觀結(jié)構(gòu)，你會看到原子結(jié)構(gòu)中的孔隙和不規(guī)則性等缺陷，這些缺陷通常被認為是強度劣化的缺陷。如果你要用鋼材料制造一些東西，比如發(fā)動機缸體，你不會希望看到這種類型的微觀結(jié)構(gòu)，因為它會顯著削弱材料的強度。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邊界。該邊界允許材料移動而不是破裂，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：加州理工學院

主要研究作者和機械工程專業(yè)學生 Wenxin Zhu 繼續(xù)說道：“通常，金屬納米柱中的變形載流子（即位錯或滑移）會傳播，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)穿過整個柱子。根據(jù)經(jīng)驗，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應(yīng)物更堅固�！边@些缺陷的均勻分布會使得納米級 3D 打印物體的脆性更低，承載能力更強。

△機械工程研究生張文欣在納米制造實驗室工作。圖片來源：加州理工學院

該研究最終實現(xiàn)肉眼看不見的納米級結(jié)構(gòu)強化。Greer 教授和她的團隊希望這能夠帶來多種用途，提高納米級 3D 打印金屬的耐用性，從而開辟新的研究和創(chuàng)新途徑。