賓漢姆頓大學(xué)利用氮化硼納米管金屬3D打印技術(shù)或?qū)⒀趸D(zhuǎn)化為優(yōu)勢(shì)

南極熊導(dǎo)讀：在設(shè)計(jì)金屬機(jī)械系統(tǒng)時(shí)，工程師面臨的主要挑戰(zhàn)之一是氧化，可能導(dǎo)致設(shè)備效率和壽命問(wèn)題。盡管增材制造的金屬在航空航天、海洋和汽車(chē)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域取得了進(jìn)展，但在腐蝕性環(huán)境中更容易失效。與傳統(tǒng)制造的金屬相比，3D打印工藝會(huì)增加金屬的孔隙率。若能找到一種方法通過(guò)氧化使金屬更堅(jiān)固，將會(huì)對(duì)工業(yè)界產(chǎn)生重大影響。

△沃森應(yīng)用科學(xué)學(xué)院機(jī)械工程系助理教授Changhong Ke

2024年5月27日，南極熊獲悉，美國(guó)賓漢姆頓大學(xué)沃森學(xué)院機(jī)械工程系教授Changhong Ke通過(guò)美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation）的探索性研究早期概念補(bǔ)助金（EAGER）項(xiàng)目獲得了一筆15萬(wàn)美元（約合108萬(wàn)人民幣）的資助，用于研究在金屬3D打印（尤其是鋁）中加入氮化硼納米管的潛力。

Ke說(shuō)：“氧化是無(wú)法避免的，因此我們正試圖利用它，將其轉(zhuǎn)化為一種新的強(qiáng)化機(jī)制，使材料變得更加堅(jiān)固。這將是一件非常了不起的事情。人們可以嘗試在設(shè)計(jì)材料時(shí)加入這種多孔性，甚至特意引入更容易氧化的結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@對(duì)材料本身是有益而非有害的?！?br />

△氮化硼納米管微觀結(jié)構(gòu)

氮化硼納米管3D打印技術(shù)

氮化硼納米管是一種革命性材料，于1995年首次在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中開(kāi)發(fā)。這種材料具有優(yōu)異的機(jī)械性能，極強(qiáng)的耐熱和抗氧化性能，同時(shí)還具有不受管徑和手性影響的穩(wěn)定寬禁帶半導(dǎo)體特性，可以用于納米尺度的電子器件、納米結(jié)構(gòu)的陶瓷、高強(qiáng)度纖維材料等。

與碳納米管相似，氮化硼納米管的獨(dú)特之處在于其具有電絕緣性，并且在更高溫度下具有熱穩(wěn)定性，從而拓寬了它潛在應(yīng)用領(lǐng)域。這些特性使得氮化硼納米管成為適用于航空航天、汽車(chē)、國(guó)防和生物醫(yī)學(xué)等市場(chǎng)的理想材料。

研究將納米管加入增材制造鋁的可能性

貫穿整個(gè)金屬的氮化硼納米管只有幾納米厚，幾微米到幾百微米長(zhǎng)。為了觀察氧化如何改變納米管與金屬的結(jié)合方式（這是自加固機(jī)制的核心問(wèn)題），Ke和他在賓漢姆頓大學(xué)納米力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)將在高分辨率掃描電子顯微鏡內(nèi)，使用力傳感器將單個(gè)納米管從氧化金屬中拉出，這樣他們就能實(shí)時(shí)觀察到發(fā)生了什么。

他解釋說(shuō)：“我們將其設(shè)計(jì)為三明治結(jié)構(gòu)。它就像一個(gè)熱狗，納米管是肉，金屬是面包?！?br />
研究人員還將通過(guò)檢查負(fù)載轉(zhuǎn)移來(lái)更大規(guī)模地測(cè)試該材料，以了解氧化如何影響納米管增強(qiáng)的金屬的剛度、強(qiáng)度和韌性。來(lái)自伊利諾伊大學(xué)的計(jì)算建模合作者將驗(yàn)證Ke的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因?yàn)槔斫獠牧献晕覐?qiáng)化的機(jī)制對(duì)于研究者來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。

Ke說(shuō)：“我們希望這將為科學(xué)界提供一個(gè)新的視角，讓他們了解我們?cè)谖磥?lái)的材料設(shè)計(jì)中是如何看待金屬氧化的。這可能會(huì)改變這些金屬材料，尤其是3D打印金屬材料的研究格局。它在不同領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊，甚至可以重振美國(guó)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力?！?br />