金屬3D打印技術(shù)不斷進(jìn)步，特別是在增強(qiáng)航空航天和汽車(chē)工業(yè)的零件方面。最近，研究人員強(qiáng)調(diào)了3D打印鋁合金中的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)：稱為準(zhǔn)晶體的原子結(jié)構(gòu)。這些準(zhǔn)晶體很特殊。與食鹽等具有規(guī)則、重復(fù)的原子模式的傳統(tǒng)晶體不同，準(zhǔn)晶體采用了不同的組織結(jié)構(gòu)。它們的結(jié)構(gòu)填充了空間，但卻從未重現(xiàn)完全相同的圖案。這種有組織的無(wú)序性可以提供有趣的機(jī)械特性，這解釋了它們?cè)谠霾闹圃祛I(lǐng)域引起人們的興趣。

在觀察一種新型鋁合金樣本時(shí)，研究員安德魯·艾姆斯注意到原子的異常排列。通過(guò)與美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的其他專家合作，他能夠確認(rèn)這些是準(zhǔn)晶體，這種罕見(jiàn)的結(jié)構(gòu)似乎也能提高合金的強(qiáng)度。

彭羅斯平鋪圖案很好地說(shuō)明了準(zhǔn)晶體的行為。它使用了一些簡(jiǎn)單的幾何形狀，但將它們組合在一起卻形成了一種復(fù)雜的設(shè)計(jì)，即使規(guī)模很大，也不會(huì)重復(fù)。

準(zhǔn)晶體使合金強(qiáng)度更高

由于這一發(fā)現(xiàn)，我們有可能設(shè)計(jì)新的增強(qiáng)鋁合金，并特意使用準(zhǔn)晶體來(lái)提高其性能。NIST團(tuán)隊(duì)不僅發(fā)現(xiàn)了這些罕見(jiàn)的結(jié)構(gòu)，而且還證明它們有助于增強(qiáng)材料的強(qiáng)度。鋁是3D打印中難以控制的金屬。據(jù)NIST物理學(xué)家張帆稱，最強(qiáng)大的版本在嘗試打印時(shí)往往會(huì)破裂，從而無(wú)法使用。部分問(wèn)題在于，為了打印，鋁必須被加熱到極高的溫度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其熔點(diǎn)，這會(huì)改變其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。

2017年，科學(xué)家開(kāi)發(fā)出一種由鋁和鋯制成的特殊合金，可以進(jìn)行3D打印且不會(huì)開(kāi)裂。受到這一進(jìn)展的啟發(fā)，NIST決定在原子尺度上分析其結(jié)構(gòu)。正如張帆所解釋的那樣，了解原子如何組織對(duì)于確保材料的可靠性至關(guān)重要，特別是如果它要用于軍事航空等敏感應(yīng)用。他們的研究表明準(zhǔn)晶體在該合金的性能中起著關(guān)鍵作用。在金屬中，過(guò)于規(guī)則的原子排列會(huì)使金屬變得更脆弱，因?yàn)樗鼤?huì)促進(jìn)內(nèi)部滑動(dòng)，從而導(dǎo)致變形。準(zhǔn)晶體通過(guò)打破這種規(guī)律，創(chuàng)造出阻止這些運(yùn)動(dòng)的區(qū)域，使材料更具抵抗力。

編譯整理：3dnatives