科學(xué)家使用3D打印技術(shù)開發(fā)新型金屬材料

近日，美國密蘇里科技大學(xué)(Missouri University of Science and Technology)的科學(xué)家們使用3D打印技術(shù)創(chuàng)造了一種全新的材料。Frank Liou博士和Jagannanthan Sarangapani博士，這兩位分別是該校產(chǎn)品創(chuàng)新、創(chuàng)造以及電氣和計算機工程方面的特聘教授。他們一直致力于使用數(shù)字化的增材制造技術(shù)來創(chuàng)造新的金屬材料，這些材料與現(xiàn)有金屬材料相比具有較強和較輕的性能。而制造這些金屬的工藝涉及到了增材制造成型、傳感器網(wǎng)絡(luò)，以及整個過程的無縫整合。

據(jù)了解，Liou博士和Sarangapani博士一直在開發(fā)一種結(jié)構(gòu)非晶態(tài)金屬(SAMs)，他們采用直接激光熔融技術(shù)，即使用高能激光逐層熔融金屬粉末，并以此構(gòu)建出3D對象。目前研究者一直在努力尋找合適的冷卻速度，以使金屬材料非晶態(tài)，也就是說在一些小的單元水平(cellular level)上實現(xiàn)隨機構(gòu)造，而不是普通的晶體結(jié)構(gòu)。

而制備非晶態(tài)金屬的意義也正是來自于這種細小單元的隨機構(gòu)造。也就是說，這種材料是由像沙粒那樣眾多微小的碎片組成的，與普通的金屬相比，它通常更強、更硬，更不容易斷裂。而帶有常規(guī)晶體結(jié)構(gòu)的金屬往往會沿著其微小單元結(jié)構(gòu)的排列方向斷裂，而非晶態(tài)金屬沒有固定的結(jié)構(gòu)可以打破。Liou博士解釋說，“顆粒越小，結(jié)構(gòu)非晶態(tài)金屬強度越高。”

科學(xué)家們希望通過這項研究，最終創(chuàng)造出比傳統(tǒng)金屬強度高10倍的新材料，這樣在很多領(lǐng)域都會降低制造對象的材料用量，以及制造成本。

除此之外，Liou也一直在進行梯度功能材料(FGMs)的研究，這種材料通常結(jié)合了兩種不容易相融的金屬，比如不銹鋼和鈦、銅和鋼等。

將不同類型的金屬材料結(jié)合起來，往往會產(chǎn)生一種新型的金屬，這種金屬材料往往會兼具兩種原有材料的特性。而為了實現(xiàn)這種結(jié)合，比如銅和鈦，還需要加入第三種材料以在兩者之間起到介質(zhì)作用。最初產(chǎn)生的新材料將具有銅和鈦的性質(zhì)，可以在構(gòu)建諸如飛機或飛船的零部件中發(fā)揮作用。

Liou解釋說，與結(jié)構(gòu)非晶態(tài)金屬(SAM)的開發(fā)類似，F(xiàn)GM也面臨著找到合適的冷卻速度問題。他說，“這是一個關(guān)于冷卻速度的競賽。如果你能比微型結(jié)構(gòu)形成速度或者化學(xué)反應(yīng)的速度更快，你就能將兩種金屬輕松結(jié)合起來。”