3D打印將成為第四次工業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)，而冶金 – 特別是鋼鐵制造業(yè)的發(fā)展 – 曾經(jīng)是是原始工業(yè)革命的核心。而現(xiàn)在，3D打印正在改變冶金的現(xiàn)狀，將材料的性能推向另一個(gè)高度。

單晶與多晶之利弊

    與許多傳統(tǒng)的固體結(jié)構(gòu)相比，采用復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通過3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度重量比。它們需要的材料少于完全堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)類似的性能，從而使它們具有潛在的資源效率。并且減輕重量意味著需要更少的能量來攜帶它們，使得它們對于能量效率優(yōu)先的應(yīng)用（例如假肢或航空航天技術(shù)）而言是有趣的。然而，使用傳統(tǒng)技術(shù)很難制造這種結(jié)構(gòu)。這就是3D打?。ㄒ卜Q為增材制造）發(fā)揮作用的地方。

    在近日的《自然》雜志上，倫敦帝國理工學(xué)院和英國謝菲爾德大學(xué)的科學(xué)家們報(bào)告了他們?nèi)绾瓮ㄟ^3D打印技術(shù)通過借鑒冶金學(xué)的概念（M.-S. Pham）來創(chuàng)造一種不尋常的材料。

其中的一項(xiàng)研究是受多晶體啟發(fā)的，《自然 》雜志于2019年1月17日詳述了這項(xiàng)工作，解釋了這些均勻晶格如何復(fù)制金屬單晶的結(jié)構(gòu)：增材制造的晶格中的節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于單晶中的原子，而支柱相當(dāng)于原子鍵。 在這些結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)中，原子平面或節(jié)點(diǎn)都完全對齊。

    雖然在某些應(yīng)用中，例如噴氣發(fā)動機(jī)的高溫端，單晶材料是理想的，因?yàn)樗鼈兡軌虺惺軜O端溫度下的變形，但它們在機(jī)械性能方面存在局限性。這一點(diǎn)在具有均勻晶格結(jié)構(gòu)的3D打印的零部件中也觀察到這種限制。

    之前報(bào)道的材料通常由相同的“單元格”構(gòu)成，這些單元格排列成使它們都具有相同的方向。結(jié)果，當(dāng)加載超過屈服點(diǎn)時(shí)，出現(xiàn)局部高應(yīng)力帶，導(dǎo)致材料機(jī)械強(qiáng)度的災(zāi)難性崩潰。當(dāng)結(jié)構(gòu)被壓縮時(shí)，一旦力足以引起永久變形，晶格就會沿著一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)平面剪切。沒有什么可以抑制這種剪切，所發(fā)生的斷裂就變成了災(zāi)難性的。

     在多晶材料 – 具有許多晶體的材料中 – 原子平面的排列是隨機(jī)的，因此當(dāng)剪切力在特定方向上時(shí)，裂縫在遇到晶體時(shí)會減慢或停止，此外，可以用于強(qiáng)化材料的相，沉淀物或夾雜物的形式引入不同的材料，這些材料也有助于抑制裂紋擴(kuò)展。

科學(xué)家們特意在3D打印的塑料和金屬格子中引入看起來像瑕疵的東西，以使它們變得更強(qiáng)。這種策略在較大范圍內(nèi)模擬了冶金學(xué)里的結(jié)構(gòu)組成，可以增強(qiáng)正常結(jié)晶材料的機(jī)械性能，結(jié)構(gòu)化材料的晶格結(jié)構(gòu)類似于晶體中的原子排列。

     研究人員創(chuàng)造了一種模仿多晶結(jié)構(gòu)的材料 – 也就是說，在這種材料中，材料被分解成具有不同晶格取向的“晶粒”，而不是單一的規(guī)則晶格結(jié)構(gòu)。

更強(qiáng)大的輕質(zhì)材料

     科學(xué)家們正在創(chuàng)造改變材料的設(shè)計(jì)方式，其中還創(chuàng)造了“元晶”的名稱。由這些偏晶體制成的零部件的實(shí)驗(yàn)測試已經(jīng)證明它們的機(jī)械強(qiáng)度非常高，其中多晶體材料能夠承受幾乎七倍于失效前的能量，超越了模仿單晶結(jié)構(gòu)的材料。

     由節(jié)點(diǎn)和支柱的周期性排列組成的架構(gòu)材料是輕質(zhì)的，并且可以表現(xiàn)出在常規(guī)材料不存在的性能組合（例如負(fù)泊松比）。這些材料具有很高的耐損傷性能，并且具備很高的韌性，這提高了材料對外部負(fù)載的承受能力。

     在另一種方法中，科學(xué)家們模仿了一種稱為沉淀硬化的技術(shù)，這種技術(shù)通常用于制造高性能合金。他們還研究了雙相晶格（模仿鋼）的技術(shù)?？茖W(xué)家們推測，3D打印可以用于給結(jié)構(gòu)提供與超彈性材料相同的可逆應(yīng)力誘導(dǎo)相變 – 在需要對變形恢復(fù)的情況下，這是一種理想的特性。

     科學(xué)家們一共探索了三種截然不同的材料，需要三種不同的3D打印技術(shù)。正如所料，這些材料的特性很重要。根據(jù)倫敦帝國理工學(xué)院的Minh-Son Pham博士，這種元晶體方法可以與多材料3D打印的最新進(jìn)展相結(jié)合，為開發(fā)新型先進(jìn)材料開辟新的研究前沿，這些材料重量輕，機(jī)械強(qiáng)度高，具有推動未來低碳技術(shù)發(fā)展的潛力。