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探索3D打印制品的超导性能
发布:kittyll   时间:2016/8/5 16:44:17   阅读:441 
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选择性激光烧结(SLM)3D打印示意图;图片来源:Tim Sercombe/University of Western Australia
 
3D打印技术属于快速原型制造技术的一种,是一种以数字模型文件为基础,运用工程塑料或金属粉末等可粘合特性,通过逐层打印的方式来构造物体的快速成形技术。3D打印是一种新型加工工艺,与传统的机械加工方法不同,其采用材料逐层累积的加工方法,能够快速精确的将三维模型转化为三维实体。该技术能够简化产品制造工序,缩短产品研制周期,提高效率同时降低成本,在医疗、文化、国防、航天、汽车及金属制造等领域已经得到应用,被认为是近20年来制造领域的一个重大技术成果。尤其是金属3D打印技术,已经在许多领域内取得了应用,例如用于制备定制化的医疗植入物,发动机轴承部件以及汽车行业的零部件的快速制造等。
 
虽然目前许多技术都可以用于3D打印金属制品,但其中大多数都是依赖于电脑控制激光或者电子束对金属粉末进行熔融或者烧结,逐层进行打印。利用这种金属3D打印方法制备的金属制品的力学性能已经得到了较为广泛的研究,但对于它们的导电性能的研究却是寥寥无几。
 
 
如今,由来自澳大利亚墨尔本大学和西澳大学的科研人员组成的研究小组利用金属3D打印技术成功制备出了一个微波谐振腔,打印材料为铝硅合金(Al-12Si)。研究发现,当温度降低至铝的临界温度(1.2K)以下时,该微波谐振腔能够展示出超导特性。相关研究成果已经在近期以论文的形式发表在《Applied Physics Letters》杂志上。
 
“电导率是用来表征电流通过材料难易程度的一个物理量,而超导电性则是指导电性能所能达到的极限,此时材料的电阻降为零”。来自西澳大学量子系统工程中心的主任教授Michael Tobar解释道:“这是一种只在部分材料中才能够观察到的现象,也即是当温度降低至某一临界温度时,材料的电阻完全消失,电流流动毫无障碍”。
 
超导谐振腔在物理学方面的许多领域都具有重要的应用价值——从量子物理到粒子加速器等等。但是,超导谐振腔的设计及制备过程正变得越来越为复杂和困难;因为谐振器一般都会呈现出非标准的几何图形结构,因此,传统的一些加工方法通常难以完成。
 
在此背景下,澳大利亚西澳大学的两个研究团队:一个由材料及3D打印方面的专家教授Tim Sercombe带领,另一个由工程量子体系及新兴谐振腔设计方面的专家Tobar带领;通过结合两个团队的研究特点,他们启动了对于3D打印制品的超导性能的初步研究。
 
“超导性能现在已经很好理解了,并且在十几年前人们就已经知道了金属铝具有超导特性,”Tobar说道:“但是,金属3D打印过程所用的金属铝粉末并非完全纯净的粉末材料,而且打印过程中该粉末材料还需要经历许多加工过程,包括原子化、激光熔融以及炉内退火等;因此,我们想要探索利用这些具有超导性能的金属材料进行打印的金属制品是否仍然会保留其优异的电学性能”。
 
 
目前,一种被称之为选择性激光熔融(SLM)的3D打印技术能够制备出晶粒尺寸非常小的制品;对于大多数金属,产生超导现象的临界温度与晶粒大小密切相关。“但对于一些材料,如镧、钼和铌等金属表现出的相关性却并不都一样”,Tobar说道:“在这些材料中,晶粒大小影响既有提高超导临界温度的,也有降低的。具有较高临界温度的超导材料显然更具吸引力,而3D打印工艺在减小晶粒尺寸方面又具有独特的优势;此外,选择性激光熔融工艺能够使得对含有不同含量元素的新型合金进行更加快速的检测”。除了检测材料的超导性之外,为了证明该3D打印技术具有较大的应用潜力,该小组选择打印一个微波谐振腔。
 
“通过使用一种被称之为矢量网络分析仪的装置,我们在该微波谐振腔内以微波频率激发了其电磁谐振模式,并测量了其品质因子‘Q’。这是一种测量注入的微波在该谐振腔内存储时间的方法,这与微波谐振腔壁的表面电阻直接相关”。Tobar解释道。通过测量‘Q’因子,研究人员能够间接的测量该谐振腔的电阻率。研究结果表明,当温度低于1.2K时,该材料具备超导特性。
 
“考虑到该粉末材料中含有大量的非导电性硅材料,出现这个结果的确出人意料”。Tobar说道:“这为制备新型微波谐振腔配置提供了一种全新的思路及方法”。换句话说,基于他们的研究成果,人们现在就能够精巧的打印出各式各样的组件,并用于许多方面。
 
“由于超导体会驱逐磁场,因此,可以利用3D打印技术对其磁屏蔽功能进行试验研究”,Tobar说道:“同样,‘Q’因子需要达到百万数量级的谐振腔试验也能受益于这项技术”。但是,对于一些线宽需求更清晰以及更高‘Q’因子的技术应用,材料的纯度很关键,例如高纯度的铌粉可能会使得结果更加理想。
 
Tobar强调:“目前关于3D打印超导材料的相关研究较少,可查阅文献更是寥寥无几,因此,人们迫切需要进行进一步的研究,包括找出或研发出更加合适的打印材料、改善打印制品的表面粗糙度以及电导率等;可行的方法有热处理以及化学抛光或者刻蚀等”。
 
该研究小组的下一步的工作计划是采用高纯度铌粉作为打印材料进行谐振腔的打印研究。
 
“铌粉末是一种具有优良性能且在超导谐振腔方面具有广泛应用的一类材料”,Tobar说道:“我们期待利用这种更加纯净的铌粉末材料,结合SLM 3D打印工艺,能够得出更好的研究结果”。
 
 
译自:phys
来源:材料与测试
译者:vince

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