宾汉姆顿大学利用氮化硼纳米管金属3D打印技术或将氧化转化为优势

南极熊导读：在设计金属机械系统时，工程师面临的主要挑战之一是氧化，可能导致设备效率和寿命问题。尽管增材制造的金属在航空航天、海洋和汽车设计等领域取得了进展，但在腐蚀性环境中更容易失效。与传统制造的金属相比，3D打印工艺会增加金属的孔隙率。若能找到一种方法通过氧化使金属更坚固，将会对工业界产生重大影响。

△沃森应用科学学院机械工程系助理教授Changhong Ke

2024年5月27日，南极熊获悉，美国宾汉姆顿大学沃森学院机械工程系教授Changhong Ke通过美国国家科学基金会（National Science Foundation）的探索性研究早期概念补助金（EAGER）项目获得了一笔15万美元（约合108万人民币）的资助，用于研究在金属3D打印（尤其是铝）中加入氮化硼纳米管的潜力。

Ke说：“氧化是无法避免的，因此我们正试图利用它，将其转化为一种新的强化机制，使材料变得更加坚固。这将是一件非常了不起的事情。人们可以尝试在设计材料时加入这种多孔性，甚至特意引入更容易氧化的结构，因为这对材料本身是有益而非有害的。”

△氮化硼纳米管微观结构

氮化硼纳米管3D打印技术

氮化硼纳米管是一种革命性材料，于1995年首次在实验室环境中开发。这种材料具有优异的机械性能，极强的耐热和抗氧化性能，同时还具有不受管径和手性影响的稳定宽禁带半导体特性，可以用于纳米尺度的电子器件、纳米结构的陶瓷、高强度纤维材料等。

与碳纳米管相似，氮化硼纳米管的独特之处在于其具有电绝缘性，并且在更高温度下具有热稳定性，从而拓宽了它潜在应用领域。这些特性使得氮化硼纳米管成为适用于航空航天、汽车、国防和生物医学等市场的理想材料。

研究将纳米管加入增材制造铝的可能性

贯穿整个金属的氮化硼纳米管只有几纳米厚，几微米到几百微米长。为了观察氧化如何改变纳米管与金属的结合方式（这是自加固机制的核心问题），Ke和他在宾汉姆顿大学纳米力学实验室的团队将在高分辨率扫描电子显微镜内，使用力传感器将单个纳米管从氧化金属中拉出，这样他们就能实时观察到发生了什么。

他解释说：“我们将其设计为三明治结构。它就像一个热狗，纳米管是肉，金属是面包。”

研究人员还将通过检查负载转移来更大规模地测试该材料，以了解氧化如何影响纳米管增强的金属的刚度、强度和韧性。来自伊利诺伊大学的计算建模合作者将验证Ke的实验结果，因为理解材料自我强化的机制对于研究者来说至关重要。

Ke说：“我们希望这将为科学界提供一个新的视角，让他们了解我们在未来的材料设计中是如何看待金属氧化的。这可能会改变这些金属材料，尤其是3D打印金属材料的研究格局。它在不同领域的应用前景非常广阔，甚至可以重振美国制造业的竞争力。”