NIST发现新型晶体形式可提高3D打印金属的强度

2025年4月10日，南极熊获悉，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员近日在电子显微镜下观察新型铝合金时，发现了一种极为罕见的结构：准晶体。这一发现为提高铝合金强度以及推动3D打印技术的发展提供了新的可能性。相关研究成果已发表在《合金与化合物杂志》上。

△相关研究题目为“增材制造高强度铝合金的微观结构特征和亚稳态形成”（传送门）

这种合金是在激光金属3D打印的极端条件下形成的，表明准晶体结构的形成可能成为未来高性能3D打印部件的核心。材料研究工程师Andrew Iams和团队的研究表明，这种新型铝合金中包含的准晶体，不仅揭示了铝合金在原子尺度上的独特排列，还能够显著提高材料的强度。

△准晶体形成于二十面体的角上

准晶体的独特结构与优势

准晶体类似于传统晶体，但具有不同寻常的原子排列方式。传统晶体是由原子或分子以重复的模式构成，而准晶体的独特之处在于它不属于任何常规的晶体类型，能够形成一种永不重复的空间填充模式。NIST的研究表明，准晶体的这种特殊结构可以增强合金的强度，尤其是在3D打印环境下。

△在这项研究中的铝合金的电子显微镜图像

3D打印铝合金的挑战

铝作为一种常见的工程材料，它的3D打印应用面临着诸多挑战。由于铝的熔点较低，约为700摄氏度，而3D打印过程中的激光温度远高于金属的沸点（高达2470摄氏度），这种高温条件容易导致铝合金出现裂纹，从而影响部件的整体强度和稳定性。此前，研究人员通过添加锆元素解决了铝合金在3D打印过程中易裂的问题，但高强度铝合金的3D打印仍然是一项艰巨的任务。

在此前的研究基础上，NIST团队进一步探索了新型铝锆合金的原子结构，特别关注准晶体在增强材料强度方面的作用。研究表明，准晶体的五重旋转对称性在铝合金中显现，正是这一结构的独特性使它成为一种可以提高强度的关键因素。

△这项研究为高强度3D打印铝合金的微观结构特征提供了新的见解，并提出了一种利用准晶体提高机械性能的新途径

研究人员指出：“为了确保这种新型金属能够应用于军用飞机部件等关键领域，我们必须深入理解铝合金中原子相互作用的机制。”通过对准晶体结构的进一步研究，NIST团队为设计下一代高强度3D打印合金提供了宝贵的理论依据。

这一研究成果不仅为3D打印技术在航空航天、汽车、能源等领域的应用开辟了新天地，还为未来的合金设计提供了新的方向。IST研究人员总结道：“我们已经证明准晶体能够增强铝的强度。未来的合金设计或许能够有意地利用准晶体结构，推动3D打印技术走向更高的性能标准。”