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导语：本文主要接介绍纳米金属粉末在三维架构的应用及镍基粉末在3D打印粘合剂喷射打印系统中的应用。

一、三维架构3D打印已使用纳米金属粉末打印

3D打印技术也称为增材制造，采用这种技术制造金属器件和我们的现在所用的粉末治金工艺有些相同，都是以金属粉末为基础构筑成件，如陶瓷粉末，金属粉末。

目前，3D打印技术的难点之一就是使用难熔金属进行打印，特别是像钨、铬、铼这类熔点很高的金属，更别提纳米级粉末颗粒了。多年来，各国的科学家们致力于研究可以实现即有成本效益，又能达到理想性能要求的新工艺。前些日子，外国科学家开发了一种新技术，一种可以使用3D打印技术创建复杂的纳米级金属结构。这种技术将可以用于各种各样的应用中，例如在微小的计算机芯片上创建3-D逻辑电路，又例如制造工程超轻型飞机组件，这种工艺能创建具有不同特性的各类新型纳米材料。在3D打印中，物体是逐层构建的，从而允许创建不需要通过诸如蚀刻或铣削的常规减成方法来制造产品。美国加州理工学院材料科学家JuliaGreer和她的团队在3D打印机组（增材制造机）中设计了一种超薄的三维架构，这种三维架构其光束仅为纳米级，太小而不能用肉眼看到。新型3-D组打印出各种材料的结构，从陶瓷到有机化合物。此外，科学家也在全力攻关以突破3D打印像钨和钛这样的难熔金属，尤其是当试图制造尺寸小于约50微米或约为头发宽度一半的微细粉末。更具体的描述：科学家将镍和有机分子粘合在一起，形成一种看起来很像咳嗽糖浆的液体。他们使用计算机软件设计了一个结构，然后通过用双光子激光器来切换液体来构建它。激光在有机分子之间产生更强的化学键，将其硬化为结构的构建块。由于这些分子也与镍原子结合，所以镍会结合到结构中。通过这种方式，该团队能够打印出三维结构，该结构最初是金属离子和非金属有机分子的混合物。然后把结构放入一个烤箱，在真空室中将其缓慢加热到摄氏度（约华氏度）。该温度远低于镍的熔点（摄氏度或约华氏度），但足够热以蒸发结构中的有机材料，仅留下金属。被称为热解的加热过程也将金属颗粒熔合在一起。此外，由于该工艺蒸发了大量的结构材料，其尺寸缩小了80％，但仍保持其形状和比例。最终的缩水是能够让结构变得如此之小的重要原因。在这种建造的纳米结构中，印刷部分的金属梁直径大约是缝纫针尖端尺寸的1/。”Greer和她的团队仍在提炼他们的技术，虽然他们从镍开始，但他们有兴趣扩展到工业中常用的其他金属，例如钨和钛。同时，科学家也希望使用这种工艺来打印其他材料，包括陶瓷，半导体、压电材料和其它异种材料。二、镍基粉末在3D打印金属驱动器的应用3D打印领域又现新产品，磁力驱动器，一个取代将电源的产品。匹兹堡大学机械工程和材料科学教授MarkusChmielus认为，在未来产业中，3D打印技术可以方便实惠地打印出磁力驱动器。该驱动器能够精准地移动机械手、零件夹持器、折叠式太阳能电池板等物件，并且不需电源便可完成多项任务。

磁性形状记忆合金单晶体中的孪晶(彩带形)，图片来源:匹兹堡大学

美国国家科学基金会(NationalScienceFoundation)也对此观点表示认同。近期，基金会向Chmielus实验室提供了30万美元资金，以帮助其实现研究成果。而在此之前，这一轮资金首先用于Chmielus的第一阶段研究，即3D粘合剂喷射打印出的增强磁金属对磁性形状记忆合金性能的影响。他表示，到目前为止，这项研究前景还很广阔。Chmielus解释说，当磁性形状记忆合金处在磁场中时，其形状发生改变，而当磁场消失时又会恢复到原来的形状。此外，它还能自发产生一定能量，所以当其作用于较小物体时，无需电池或其他电源供能便能启动驱动器。他还提到，磁场粘合剂喷射打印技术利用磁场使原料粉末微粒整齐排列，以增强材料的结构和磁各项异性(一种衡量物质对磁场反应程度的属性)。驱动反应正是来源于物质的各向异性。虽然其他一些研究人员同时也正致力于探索类似的打印方法，但Chmielus表示，如果进展顺利，他和他的团队将会率先采用上述方法打印出具有大张力和最优微观结构排列的物质，以制造出精密度高，性能强的大行程驱动器和磁性材料。

用于增材制造的磁性形状记忆粉末，图片来源：匹兹堡大学

在材料方面，Chmielus为找到一种更为经济高效的方法来生产具有复杂结构的合金，以在未来应用于传感器、机器人和发电机械设备等方面，最终选择了能够自己制作的镍基合金粉末作为原料。这种粉末是一种常用的磁性形状记忆合金，以其低孪晶压力和驱动性能著称。Chmielus实验室同时也在尝试使用由生物相容性材料和钛合金制成的物质作为原料。另外，研究人员还打造出独有的3D粘合剂喷射打印机，并将其封装在金属盒子中。他们在盒子外部用永久性磁铁或电磁体使盒子内部的物质磁化。Chmielus提到，在这个过程中，只需微弱磁场即可完成。Chmielus表示，打印系统采用粘合剂喷射打印系统，更为完善，有诸多好处。不同于单晶体合金，其所用的镍基粉末在进行打印之前无需用激光将其熔化，这使得打印过程更便宜、更易实现。这种打印过程非常简单——先铺一层粉末，然后在上面涂一层胶水，接着重复这个过程，直到物体制作完成。他说：“这就类似于家用喷墨打印机。”另外，Chmielus提到，粘合剂喷射打印过程比增材制造中常用的激光烧结过程快得多。他说：“前者无需激光点扫描样本，而是使用大型的原料盒在整个区域内进行打印，所以其速度快了至少十倍。”那么粘合剂喷射打印的真的这么完美吗，主要问题在于，它在排列粉末颗粒以获得最佳性能方面表现不佳。为解决此问题，研究人员逐层进行磁化，选择不同强度的磁场来改变粒子的排列。Chmielus说：“我们用磁场覆盖粉末所在区域，使粒子排列整齐以提高性能。这就像把磁铁放进一桶钉子里后，钉子会呈现出一个接一个的排列状态。”研究人员目前正致力于进一步优化粒子排列技术，这将帮助制造商打印具有磁指向的材料，以应用于电动机和发电机等产品。另外，制造商能通过粘合剂喷射打印，改变或定制材料的孔隙度。Chmielus说：“你可以创造出各种设计精美、造型别致的结构，例如一种能让液体流过的结构。或许多孔性对某些结构来说无益，但它正是其他结构所需要的。”由于粒子已被定向磁化，打印出的合金甚至可以自行产生能量。Chmielus表示，通过机械地改变材料的形状，可以使磁场改变方向，从而产生能量，并进行驱动。在下一阶段的研究中，实验室计划打印一些“无聊至极”的物品，比如一个立方体或者类似于活塞的东西。不过，Chmielus预计，几年后制造商将能通过此3D技术打印一些目前还无法打印的物件，如复杂的金属驱动器或其他高端结构。他说：“这将开启无限可能。”