科學家使用3D打印技術開發新型金屬材料

近日，美國密蘇里科技大學(Missouri University of Science and Technology)的科學家們使用3D打印技術創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品創新、創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字化的增材制造技術來創造新的金屬材料，這些材料與現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、傳感器網絡，以及整個過程的無縫整合。

據了解，Liou博士和Sarangapani博士一直在開發一種結構非晶態金屬(SAMs)，他們采用直接激光熔融技術，即使用高能激光逐層熔融金屬粉末，并以此構建出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，也就是說在一些小的單元水平(cellular level)上實現隨機構造，而不是普通的晶體結構。

而制備非晶態金屬的意義也正是來自于這種細小單元的隨機構造。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。而帶有常規晶體結構的金屬往往會沿著其微小單元結構的排列方向斷裂，而非晶態金屬沒有固定的結構可以打破。Liou博士解釋說，“顆粒越小，結構非晶態金屬強度越高。”

科學家們希望通過這項研究，最終創造出比傳統金屬強度高10倍的新材料，這樣在很多領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合起來，往往會產生一種新型的金屬，這種金屬材料往往會兼具兩種原有材料的特性。而為了實現這種結合，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作用。最初產生的新材料將具有銅和鈦的性質，可以在構建諸如飛機或飛船的零部件中發揮作用。

Liou解釋說，與結構非晶態金屬(SAM)的開發類似，FGM也面臨著找到合適的冷卻速度問題。他說，“這是一個關于冷卻速度的競賽。如果你能比微型結構形成速度或者化學反應的速度更快，你就能將兩種金屬輕松結合起來。”