NIST發(fā)現(xiàn)新型晶體形式可提高3D打印金屬的強(qiáng)度

2025年4月10日，南極熊獲悉，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的研究人員近日在電子顯微鏡下觀察新型鋁合金時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一種極為罕見(jiàn)的結(jié)構(gòu)：準(zhǔn)晶體。這一發(fā)現(xiàn)為提高鋁合金強(qiáng)度以及推動(dòng)3D打印技術(shù)的發(fā)展提供了新的可能性。相關(guān)研究成果已發(fā)表在《合金與化合物雜志》上。

△相關(guān)研究題目為“增材制造高強(qiáng)度鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)特征和亞穩(wěn)態(tài)形成”（傳送門(mén)）

這種合金是在激光金屬3D打印的極端條件下形成的，表明準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)的形成可能成為未來(lái)高性能3D打印部件的核心。材料研究工程師Andrew Iams和團(tuán)隊(duì)的研究表明，這種新型鋁合金中包含的準(zhǔn)晶體，不僅揭示了鋁合金在原子尺度上的獨(dú)特排列，還能夠顯著提高材料的強(qiáng)度。

△準(zhǔn)晶體形成于二十面體的角上

準(zhǔn)晶體的獨(dú)特結(jié)構(gòu)與優(yōu)勢(shì)

準(zhǔn)晶體類(lèi)似于傳統(tǒng)晶體，但具有不同尋常的原子排列方式。傳統(tǒng)晶體是由原子或分子以重復(fù)的模式構(gòu)成，而準(zhǔn)晶體的獨(dú)特之處在于它不屬于任何常規(guī)的晶體類(lèi)型，能夠形成一種永不重復(fù)的空間填充模式。NIST的研究表明，準(zhǔn)晶體的這種特殊結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)合金的強(qiáng)度，尤其是在3D打印環(huán)境下。

△在這項(xiàng)研究中的鋁合金的電子顯微鏡圖像

3D打印鋁合金的挑戰(zhàn)

鋁作為一種常見(jiàn)的工程材料，它的3D打印應(yīng)用面臨著諸多挑戰(zhàn)。由于鋁的熔點(diǎn)較低，約為700攝氏度，而3D打印過(guò)程中的激光溫度遠(yuǎn)高于金屬的沸點(diǎn)（高達(dá)2470攝氏度），這種高溫條件容易導(dǎo)致鋁合金出現(xiàn)裂紋，從而影響部件的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。此前，研究人員通過(guò)添加鋯元素解決了鋁合金在3D打印過(guò)程中易裂的問(wèn)題，但高強(qiáng)度鋁合金的3D打印仍然是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

在此前的研究基礎(chǔ)上，NIST團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探索了新型鋁鋯合金的原子結(jié)構(gòu)，特別關(guān)注準(zhǔn)晶體在增強(qiáng)材料強(qiáng)度方面的作用。研究表明，準(zhǔn)晶體的五重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性在鋁合金中顯現(xiàn)，正是這一結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性使它成為一種可以提高強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。

△這項(xiàng)研究為高強(qiáng)度3D打印鋁合金的微觀結(jié)構(gòu)特征提供了新的見(jiàn)解，并提出了一種利用準(zhǔn)晶體提高機(jī)械性能的新途徑

研究人員指出：“為了確保這種新型金屬能夠應(yīng)用于軍用飛機(jī)部件等關(guān)鍵領(lǐng)域，我們必須深入理解鋁合金中原子相互作用的機(jī)制。”通過(guò)對(duì)準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步研究，NIST團(tuán)隊(duì)為設(shè)計(jì)下一代高強(qiáng)度3D打印合金提供了寶貴的理論依據(jù)。

這一研究成果不僅為3D打印技術(shù)在航空航天、汽車(chē)、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)辟了新天地，還為未來(lái)的合金設(shè)計(jì)提供了新的方向。IST研究人員總結(jié)道：“我們已經(jīng)證明準(zhǔn)晶體能夠增強(qiáng)鋁的強(qiáng)度。未來(lái)的合金設(shè)計(jì)或許能夠有意地利用準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)，推動(dòng)3D打印技術(shù)走向更高的性能標(biāo)準(zhǔn)�！�