麻省理工正在研究3D打印金屬陶瓷復(fù)合材料用于聚變反應(yīng)堆

2023年10月15日,，南極熊獲悉,，麻省理工學(xué)院博士生Alexander O’Brien正在致力于通過(guò)金屬陶瓷復(fù)合材料和3D打印技術(shù)來(lái)研究下一代聚變?cè)O(shè)備,。

△麻省理工的研究人員Alexander O’Brien

O’Brien的研究在麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程系（NSE）進(jìn)行,，通過(guò)3D打印技術(shù)精準(zhǔn)定位陶瓷納米顆粒在熔池中,，這是傳統(tǒng)制造工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的,。陶瓷基復(fù)合材料被認(rèn)為是未來(lái)航空,、航天等先進(jìn)制造業(yè)的關(guān)鍵材料，賽峰（Safran）集團(tuán)和通用電氣航空集團(tuán)都在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)零件上大力投資陶瓷基復(fù)合材料,。

△3D打印陶瓷基復(fù)合材料示意

3D打印金屬陶瓷復(fù)合材料有什么用,？

在蓬勃發(fā)展的聚變能源領(lǐng)域，O’Brien指出,，隨著新型聚變裝置設(shè)計(jì)的啟動(dòng),，現(xiàn)有材料難以承受操作環(huán)境中更高溫度和輻射水平。增材制造為金屬應(yīng)用開(kāi)辟了全新可能性,，正是構(gòu)建下一代聚變發(fā)電廠所需的關(guān)鍵技術(shù),。

金屬和陶瓷本身可能無(wú)法承受高溫（目標(biāo)是750攝氏度）、應(yīng)力和輻射,，但將它們組合在一起可能會(huì)達(dá)到這些目標(biāo),。O’Brien指出，盡管金屬基復(fù)合材料已經(jīng)存在了幾十年,，但在反應(yīng)堆中使用它們并不切實(shí)際,，因?yàn)樗鼈兒茈y以任何均勻性制造，而且尺寸確實(shí)有限,。

這是因?yàn)楫?dāng)你嘗試將陶瓷納米粒子放入熔融金屬池中時(shí),，它們會(huì)向任意方向掉落,。O’Brien解釋說(shuō)：“3D打印很快就可以解決這個(gè)情況，如果你想在非常特定的區(qū)域添加這些納米粒子,，你就有能力做到這一點(diǎn),。”

△這是他的博士論文和已發(fā)表在《增材制造》雜志上的一篇研究論文基礎(chǔ)“通過(guò)原位形成納米碳化物和硅化物來(lái)強(qiáng)化增材制造的Inconel 718”（傳送門(mén)）

通過(guò)3D打印研究進(jìn)行證明

O’Brien的工作專注于將陶瓷納米粒子嵌入金屬中,，以創(chuàng)造金屬基復(fù)合材料,，這使其成為3D打印行業(yè)中聚變裝置的理想選擇之一，特別是對(duì)于真空容器組件來(lái)說(shuō),。它們必須能夠承受高溫,、腐蝕性極強(qiáng)的熔鹽和核嬗變產(chǎn)生的內(nèi)部氦氣。

O’Brien的工作重點(diǎn)是鎳高溫合金,，如Inconel 718,。這些合金具有特別強(qiáng)大的特性，能夠承受更高的工作溫度并保持強(qiáng)度,。然而,，氦脆性（由聚變中子引起的氦氣泡導(dǎo)致的脆弱和失效）是Inconel 718面臨的一個(gè)問(wèn)題，但復(fù)合材料顯示出克服這一挑戰(zhàn)的潛力,。

為了制造復(fù)合材料,，首先使用機(jī)械研磨工藝將陶瓷涂覆到金屬顆粒上。陶瓷納米粒子充當(dāng)增強(qiáng)劑,，特別是在高溫下,，可以延長(zhǎng)材料的使用壽命。當(dāng)納米顆粒均勻分散時(shí),，它們還可以吸收氦氣和輻射缺陷,，從而防止這些損傷劑到達(dá)晶界。

△使用EOS的激光粉末床熔融（L-PBF）工藝進(jìn)行打印

然后,，該復(fù)合材料通過(guò)EOS公司的激光粉末床熔融（L-PBF）工藝進(jìn)行制造,。O’Brien解釋說(shuō)：“通過(guò)將陶瓷涂覆到這些顆粒上，然后只熔化非常特定的區(qū)域,，我們可以將陶瓷保留在我們想要的區(qū)域,，并構(gòu)建具有均勻結(jié)構(gòu)的材料�,！�

核材料的3D打印展示了巨大的前景,，以至于O’Brien在博士研究結(jié)束后正在考慮追求這一領(lǐng)域的發(fā)展,。他表示：“這些金屬基復(fù)合材料的概念以及它們?nèi)绾卧鰪?qiáng)材料性能非常有趣,。”他正在考慮通過(guò)一家初創(chuàng)公司擴(kuò)大商業(yè)規(guī)模,。