研究人員利用非重復(fù)準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)3D打印高強(qiáng)鋁合金，為合金設(shè)計(jì)開(kāi)辟新途徑

2025年4月14日，南極熊獲悉，來(lái)自美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的研究人員在 3D 打印鋁合金中發(fā)現(xiàn)了一種被稱為準(zhǔn)晶體的特殊原子結(jié)構(gòu)。這種罕見(jiàn)的非重復(fù)準(zhǔn)晶體會(huì)產(chǎn)生缺陷，從而增強(qiáng)金屬的機(jī)械性能。

相關(guān)研究成果以題為“Microstructural features andmetastable phase formation in a high-strength aluminum alloy fabricated usingadditive manufacturing”的論文發(fā)表在《合金與化合物雜志》上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.180281

材料研究工程師 Andrew Iams 用電子顯微鏡觀察一小片新型鋁合金時(shí)，注意到原子以一種意想不到的模式排列。“那一刻我開(kāi)始興奮起來(lái)，因?yàn)槲乙詾槲铱吹降目赡苁菧?zhǔn)晶體。” 他和 NIST 的同事證實(shí)了準(zhǔn)晶體的存在，并發(fā)現(xiàn)它們?cè)鰪?qiáng)了鋁合金的強(qiáng)度。

新型鋁合金是在金屬3D打印的極端條件下形成的。這一發(fā)現(xiàn)可能有助于開(kāi)發(fā)專門(mén)利用準(zhǔn)晶體來(lái)提高強(qiáng)度的新型鋁合金。

準(zhǔn)晶體不同于普通晶體，普通晶體具有重復(fù)的原子模式，例如形成立方體的鹽晶體。準(zhǔn)晶體填充空間，但其模式從不重復(fù)。丹·謝赫特曼 (Dan Shechtman) 于 20 世紀(jì) 80 年代在美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 (NIST) 發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶體，這一發(fā)現(xiàn)最初受到質(zhì)疑，但后來(lái)得到證實(shí)，并于 2011 年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。幾十年后，在同一機(jī)構(gòu)工作時(shí)，伊姆斯 (Iams) 在3D 打印鋁中發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶體。

眾所周知，鋁的3D打印難度極高。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）物理學(xué)家張帆說(shuō)道：“高強(qiáng)度鋁合金幾乎不可能打印，它們很容易出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致無(wú)法使用。” 鋁的熔點(diǎn)通常在700°C左右，但用于3D打印時(shí)需要加熱到遠(yuǎn)高于其沸點(diǎn)（2470°C）的溫度，這會(huì)改變性能。

△Penrose瓷磚圖案具有一些與準(zhǔn)晶體相同的特性。即使圖像由幾個(gè)相同的基本形狀構(gòu)成，整體圖案也不會(huì)重復(fù)。資料來(lái)源：NIST

2017年，HRL實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)圣巴巴拉分校的研究人員研制出一種鋯增強(qiáng)鋁合金，這種合金可以在打印過(guò)程中不開(kāi)裂。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）對(duì)這種鋁鋯合金進(jìn)行了研究，以了解其原子結(jié)構(gòu)。張教授表示：“為了確保這種新金屬能夠用于軍用飛機(jī)等關(guān)鍵部件，我們需要深入了解原子之間的相互作用。” 他們發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)晶體在其中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

在金屬中，完美的晶體會(huì)因?yàn)樵�子容易滑移而削弱結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致變形。準(zhǔn)晶體會(huì)破壞這種規(guī)律，產(chǎn)生缺陷，從而增強(qiáng)金屬的強(qiáng)度。張教授說(shuō)：“現(xiàn)在我們有了這一發(fā)現(xiàn)，我認(rèn)為它將為合金設(shè)計(jì)開(kāi)辟一條新途徑。”