来源：江苏激光联盟
导读：最近获得机械工程博士学位的范德比尔特大学毕业生——尼利创造了一种用于极端条件下的焊接材料，该材料可以最大程度地减少所需设备和操作人员的危害。这种材料是一种安全，稳定的铝热膏，可作为便携式，可编程的热源，用于太空，水下和战斗区域。 该浆料经过3D打印并以称为反应性材料架构的图案沉积，该图案可以控制和引导。
传统的焊接或铜焊需要熟练的操作人员和重型设备，在恶劣的环境中很难供电、维护和运输。为了克服传统方法的成本和复杂性，高能材料被用作热源，通常称为放热钎焊。放热钎焊利用固态或近固态反应产生的热量来熔化用于连接过程的填充材料。它可用于在隔离环境中或在物理上复杂或不可接近的关节中创建关节。
之前的研究已经证明了放热钎焊在太空和水下的成功。放热钎焊也已经成功地用于飞机中的管道钎焊和放热钎焊液压配件。然而，这项工作受到关节和周围精力充沛的复杂固定需求的限制。随着增材制造技术的发展，现在可以轻松生成具有复杂几何形状的结构合理的能量学。用数字制造工具制造的能量学被称为反应材料体系结构(RMA)，可实现新的现场便捷连接技术。
RMA是一种通过几何特征来控制反应速率和发热的结构，而不仅仅是化学成分的变化。这种控制的一个例子是使用增材制造技术生产固体火箭燃料颗粒，从而使印刷打印燃料颗粒的燃烧速率与铸造燃料颗粒相当。增材制造技术还可以创建具有铸造无法创建的独特几何形状（例如悬垂，底切，填充孔隙度）。对于芯片级接合，在纳米级接合中已经有一些RMA的应用，但是对于宏观级接合存在对宏观级架构的需求。
该实验所选择的高能材料是高粘性的铝热剂浆料，该浆料由质量比为3：2：2的氧化铁 (Fe2O3)，铝粉和半水合钙(CaSO4·0.5H2O)组成。所有样品均使用少量的铝热剂和镁粉及镁带保险丝点燃，并使用具有SDS-60注射器式打印头的Hyrel Engine SR打印机打印样品。
每个接头由两个2 × 2 × 0.040″的铜片组成，排列成一个搭接接头。每个接头都用丙酮清洗，然后用焊剂准备。四个2英寸长的焊料(KappZapp4，铜用96Sn/4Ag固体线焊料)放置在搭接处。将打印好的铝热剂样品放在接头的顶部，整个装置放在沙层上。在顶部铜试样下面放置一个金属垫片，以说明焊料的熔化，使顶部铜样品和底部铜样品在点燃后平行。如下图1所示。以相同的方式制作和制备另外的对照样品，除了将其放置在240℃的烘箱中2小时。
图1. 铝热剂连接的样品设置
图2. 浆料以称为材料反应性结构的形状印刷，该形状决定了浆料的燃烧方式和燃烧位置。图片来源：范德比尔特大学
所产生的铝铁矿接头强度与对照接头强度相当，最强的铝铁矿接头在4497N的载荷下破裂，即最大母体强度样品的63.8％。平均接头强度为2212N。接缝强度似乎主要由接缝处的焊料散布决定。图3显示了四个样品、三个实验样品和一个对照样品的焊料覆盖率。在图3b中看到的样品1具有出色的接头强度和几乎完全的覆盖范围，非常类似于在图3a中看到的对照样品。图3c示出了具有中等焊料覆盖率的样品3。这与样品的2760 N的结合强度非常吻合。图3d显示了不良的焊料覆盖率示例。相应的样品（样品5）的强度仅为1225 N，焊料的散布受热源和接头的设置控制。
图3. 搭接接头样品破损，显示焊料覆盖率。可以在a）中看到对照样品，b，c）和d）中分别显示了样品1、3和6。
此外，Neely还在她的毕业作品中将两个兴趣结合在一起，34D打印和高能材料。额外的维度是时间。4D材料会随着时间而变化，对诸如湿度或温度之类的环境刺激做出反应并改变形状。她认为是机械工程教授艾尔文·施特劳斯和机械工程助理教授凯文·加洛威以及范德比尔特的博士顾问们为这个想法开了绿灯。
图4. 尼利用4D打印的铝热剂糊将铁和铜焊接在一起。图片来源：范德比尔特大学
他们的研究《Soldered copper lap joints using reactive material architectures as a heat source》2020年4月在Manufacturing Letters上发表，包含基础性工作的“《Additively Manufactured Reactive Material Architectures as a Programmable Heat Source》已于2019年8月发表在3D Printing and Additive Manufacturing中。
本文来源：https://doi.org/10.1016/j.mfglet.2020.02.002
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