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西安3d打印:金属3D打印零件的超导属性

  如今,随着金属3D打印技术在汽车、航空航天和医疗等领域应用越来越广泛,金属3D打印技术俨然已是在3D打印界的一大热门。事实上,金属3D打印仅仅只是一个统一的称呼,下分还有很多不同的技术,当然了其中大部分都是依靠计算机来控制电子束或激光来烧结和融化金属粉末。到目前为止,虽然研究员对于金属3D打印零件的机械性已经做了大量的研究,但是对其电气性能投入的力量反而远远不足了。

  在《Applied Physics Letters》杂志封面上出现了一篇论文,在这篇论文中,来自墨尔本大学(University of Melbourne)和澳大利亚西部大学(University of Western Australia)的研究团队使用一种铝硅合金(Al-12Si)3D打印了一个微波谐振腔。科学家们说,在将这个部件冷却到铝的临界温度(1.2 Kelvin)以下时,它就表现出了超导性。

  

  △科学家们3D打印的谐振腔样品

  “电导率是衡量电流通过一种材料的容易程度的,而超导性指的是某些材料所具备的在低温下失去电阻的特性。”澳大利亚西部大学工程量子系统研究中心主任教授 Michael Tobar解释说。

  超导腔在物理学的许多领域都有应用——从量子物理学到粒子加速器等。但是如今超导谐振腔的设计正在变得越来越复杂,往往涉及到非标准几何形状和谐振器阵列,这就使得传统的加工工艺面临着极大的挑战。

  所以,在澳大利亚西部大学有两个科研团队——一个由材料与3D打印专家Tim Sercombe教授领导,另一个则由工程量子系统和超导腔设计专家Tobar带领——结合他们各自的专业知识发起了一项试点研究,来探索3D打印部件的超导态性质。

  “超导物理很好理解,几十年前人们就知道铝具有超导性。”Tobar说:“但是3D打印工艺使用的铝十分不纯,而且它经历了几个过程——雾化、激光熔化、炉内退火等。所以我们想对一系列已知的超导金属进行一下研究,看看这些金属在3D打印后能否保留其电性能。”

  比如一种被称为“选择性激光熔融(SLM)”的金属3D打印技术往往会制造出具有非常小颗粒的成品材料,而许多金属,其表现出超导性的临界温度往往跟其颗粒尺寸相关性非常大。

  “比如镧、钼、铌这些材料都有不同的反应。”Tobar说:“我们所观察到的颗粒尺寸既可能降低临界温度,也可能升高临界温度。具有高临界温度的超导体尤其有趣,所以该3D打印工艺在减少颗粒尺寸方面可能会有一些优势。另外,SLM工艺还能够帮我们快速测量具有不同元素比例的新型合金。”

  除了测量超导性之外,研究团队还想看看他们是否能够用这种技术制造出可能有用的东西,所以他们决定3D打印微波谐振腔。

  “使用一种叫做“矢量网络分析仪”的装置,我们激活了腔内微波频率共振的电磁模式,并测量其质量因子(又名Q)。这是一个测量将微波注入谐振腔后它能够存在多长时间的指标。它直接与谐振腔壁的表面电阻有关。”他解释说。

  通过对Q因子的测量,研究者们能够间接地确定电阻。而结果显示材料在1.2Kelvin的条件下具有超导性。

  这一结果"令人吃惊,因为该合金当中存在大量非超导性的硅”。Tobar指出:“它可能会为打印全新腔结构带来新的可能性。

  


  而且,研究团队的这一成果有很大的现实应用价值——人们现在可以根据这一结果打造各种部件。

  “因为超导体驱逐磁场,我们可以为实验打印磁屏蔽。”Tobar说:“此外,任何需要Q因子的值在100万左右的腔实验均可从该技术中受益。”

  而对于那些需要清晰得多的线宽和高Q因子值得技术,据Tobar称,高纯度的铌粉可能是理想的起始材料。

  “由于对于3D打印超导体的科技文献较少,所以我们必须做进一步的研究以确定更加合适的材料,以及如何提高零部件的表面光洁度和性能——比如是否可能通过热处理或化学抛光/蚀刻等。”他补充说

  下一步?科学家们想要尝试用高纯度铌粉3D打印超导腔。

  “铌是优秀的材料,在超导腔中使用得很广泛。”Tobar说:“我们预计把非常纯的铌金属粉末用于SLM工艺能获得很好的效果。”