世界首個3D打印超高真空室,，1E-10mbar穩(wěn)定運行，重量減輕70%,！

來源： iVacuum

我們知道,，增材制造對很多領域的研究和工業(yè)生產(chǎn)都產(chǎn)生了巨大影響，但迄今為止,，用增材制造的方法生產(chǎn)超高真空系統(tǒng)已經(jīng)被證明難以實現(xiàn),，并且普遍認為是不可能實現(xiàn)的。2021年4月,，在學術期刊Additive Manufacturing發(fā)表的一篇論文中,，成功造出了全世界第一個用增材制造方法實現(xiàn)的超高真空室，能夠在低于10-10mbar的壓力下工作,，而且增材制造材料的總放氣不超過3.6×10-13mbar l/(s mm2),。真空室是用AlSi10Mg材料，通過激光粉末床熔融技術生產(chǎn)的,。詳細的表面分析顯示,，在增材制造的材料上形成了氧化的、富鎂的表面層,，這個表面層在實現(xiàn)達到超高真空方面發(fā)揮了關鍵作用,。

證明了增材制造（AM）適用于超高真空（UHV）設備的生產(chǎn)，從而為整個高真空和超高真空領域的快速成型,、減重和增強功能等打開了機會之門,。

超高真空系統(tǒng)的應用非常廣，從已有的技術,，如光電傳感器,、照相機、低溫杜瓦,、電子顯微鏡和X射線光電子能譜分析儀,，到重要的新興研究領域，比如基于冷原子的便攜式量子傳感器,，無不應用了超高真空,。AM可以促進上述所有領域的基礎研究和技術發(fā)展，因為該技術可以大大減小相關UHV設備的尺寸，減輕重量,，縮短開發(fā)周期,。比如這篇論文所研發(fā)的UHV腔室是通過激光粉末床熔融（POBF）技術，用AlSi10Mg材料進行制造的,，重量僅為245克,，比同等標準的真空室減輕了70%。這種級別的減重對于促進UHV的天基應用至關緊要,，例如使用星載量子傳感器對基礎物理學進行試驗研究,。

然而，盡管最近在金屬的AM加工方面取得了一些進展,，但是尚沒有人用AM技術制造出一個完整的UHV腔室,。讓UHV腔室獲得優(yōu)異性能的挑戰(zhàn)在于：表面粗糙度、孔隙率和極限硬度（limited hardness）,。表面粗糙可導致放氣率增加,，孔隙率較大可能會產(chǎn)生泄漏或因存在“死空間”而導致虛漏，而極限硬度不夠則會降低真空連接處刀口密封的有效性,。

圖1  用增材制造方法打造的超高真空室 （a）實物照片,；（b）被磁光阱捕獲的85RB冷原子云的熒光圖像。原子云的直徑約為10毫米,。

AM金屬的這些特性,，使得研究者懷疑它究竟是否適合用來制造UHV部件。與鈦合不銹鋼等金屬相比,，AlSi10Mg合金具有更高的導熱系數(shù),，這可能會有助于提高3D打印時的一致性，并減少構建缺陷,。在本篇論文中,，研究人員利用光學和電子顯微鏡、質譜分析和X射線光電子能譜分析等,，對增材制造AlSi10Mg的表面進行了詳細分析,。分析表明，這種AM材料表面的嚴重氧化,、富鎂的表面層,，很好地抑制了材料的放氣。因此,，這種真空室很容易就能維持低于10-10mbar的壓力,。

如上圖1（b）所示，這種真空性能足以使磁光阱（MOT）捕獲85RB的冷原子云,。MOT是幾乎所有基于冷原子的實驗和裝置的基礎,，其中包括用于精確計時的原子鐘,，應用于地質學、導航和土木工程的高精度重力計,，以及用于導航和醫(yī)學成像的冷原子磁力計,。AM方法在UHV設備上的應用，將使這一重要的新興領域獲益匪淺,。

前景廣闊
用AM方法制造了一個能夠在低于10-10mbar的壓力下工作的超高真空腔室,，經(jīng)過幾個月的運行，沒有觀察到腔室性能有所降低,。

作者認為,，將AM方法引入UHV設備領域,，具有巨大的潛力,，可以減小現(xiàn)有系統(tǒng)的尺寸和材料消耗，減小重量,，并且能實現(xiàn)具有更多功能的新型便攜式系統(tǒng),。此外，用AM還可制造出高比表面的元素,，以提高相關真空泵裝置的效率,，比如鈦升華泵。而且研究表面層鎂富集的成因機制也可能很有意義,。這項研究也可能有助于進一步增加超高真空系統(tǒng)用AM方法制造的選項,。

詳情可以參見論文原文：https://www.sciencedirect.com/sc ... 21000634?via%3Dihub