加州理工学院推进纳米级3D打印金属研究，金属强度实现惊人提升

2023年10月15日，南极熊获悉，加州理工学院(Caltech)的研究人员开发出一种新的3D打印技术，可用于打印微型金属零件，以便更好地了解 3D 打印物体在纳米尺度上的表现。据悉，新技术制造的金属零件的强度比类似尺寸的零件要强得多，其细节、缺陷控制精度甚至可以达到纳米级别。

这项研究是由材料科学、力学和医学工程教授兼卡维里纳米科学研究所所长朱莉娅·格里尔（JuliaR. Greer）的实验室进行的。在2022年之前的实验基础上，Greer 的实验室开发了一种制造工艺技术，用于打印微型金属物体，其厚度可能只有几张纸那么厚。今年，该团队将尺寸从微米尺度提升到了纳米尺度。

△使用Julia R. Greer 实验室开发的新技术制备的纳米级晶格。图片来源：加州理工学院

该研究以题为“Suppressed Size Effect inNanopillars with Hierarchical Microstructures Enabled by Nanoscale AdditiveManufacturing”的论文被发表在《Nano Letters》期刊上。合著者是 Wenxin 张 (MS '22)；ThomasT. Tran (MS '22)，材料科学研究生；Rebecca A. Gallivan（MS '22，PhD '23），曾就职于加州理工学院，现就职于苏黎世联邦理工学院；新加坡高性能计算研究所李志；以及新加坡南洋理工大学和高性能计算研究所的 Ruoqi Dang 和 Huajian Gau。

相关论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c02309

这一研究突破将 3D 打印的零件缩小到之前实验尺寸的千分之一。结果揭示了一些有些出乎意料的事情：打印件越小，材料在原子尺度上显得越无序。在正常尺寸的结构中，这种无序将构成低质量的结构，容易出现破损和其他缺陷。然而，在纳米尺度上，这些材料的无序排列导致零件的强度比具有更“有序”排列的原子的结构强三到五倍。

△纳米级镍柱的不规则内部结构。图片来源：加州理工学院

利用纳米级“缺陷”创造更稳定的物体

这个复杂的过程涉及水凝胶的混合物，水凝胶是一种可以吸收大量水的聚合物，然后用激光进行成型，使感光材料硬化成所需的形状。在该硬化过程之后，通过液体溶液再次引入镍的金属离子。然后金属被形成的水凝胶形状吸收，随后被暴露在高热量下，水凝胶被烧结去除，只留下金属。在最后一步中，通过化学剥离过程从金属结构内去除或转化任何氧气，从而在金属结构中留下一系列不规则形状。然而，令人惊讶的是，这些有助于增加物体的强度，而不是削弱它。

Greer教授说：“在这个过程中，所有这些热过程和动力学过程同时发生，它们导致了非常非常混乱的微观结构，你会看到原子结构中的孔隙和不规则性等缺陷，这些缺陷通常被认为是强度劣化的缺陷。如果你要用钢材料制造一些东西，比如发动机缸体，你不会希望看到这种类型的微观结构，因为它会显着削弱材料的强度。然而，这些不规则性（例如孔）在较大尺寸中是非常不受欢迎的，但在纳米尺度上形成了一种增强边界。该边界允许材料移动而不是破裂，并且由于这些变形在物体周围均匀分布而给予材料更多的支撑。

△朱莉娅·格里尔。图片来源：加州理工学院

主要研究作者和机械工程专业学生 Wenxin Zhu 继续说道：“通常，金属纳米柱中的变形载流子（即位错或滑移）会传播，直到它可以在外表面逸出。但在存在内部孔隙的情况下，传播将很快终止于孔隙表面，而不是继续穿过整个柱子。根据经验，使变形载体成核比让它传播更难，这解释了为什么目前的支柱可能比其对应物更坚固。”这些缺陷的均匀分布会使得纳米级 3D 打印物体的脆性更低，承载能力更强。

△机械工程研究生张文欣在纳米制造实验室工作。图片来源：加州理工学院

该研究最终实现肉眼看不见的纳米级结构强化。Greer 教授和她的团队希望这能够带来多种用途，提高纳米级 3D 打印金属的耐用性，从而开辟新的研究和创新途径。