航空航天和汽车等各行业会通过3D金属打印方式,制造出具有复杂几何形状的轻质零件,以提高材料效率和缩短整体生产周期。不过,铝金属与其它材料在高温和快速冷却上出现明显差异,导致成品微观结构容易出现不均匀的现象和细小裂缝,这严重影响产品的机械性和耐用性。
这次,美国国家标准与技术研究所(National Institute of Standards and Technology,NIST)工程师Andrew Iams与团队成员发现,3D打印铝合金属中的“准晶体”,是改善铝合金打印容易出现裂缝的关键。这项发现有望为新型铝合金的研究打开新世界,这项研究成果于4月发表在《合金和化合物杂志》(Journal Of Alloys And Compounds)上。
当时NIST研究团队通过电子显微镜观察铝锆(Zr)合金薄片,想知道是什么改善了铝的缺陷让它变得可以打印和坚固,是否存在影响合金强度的关键晶体。他们使用的铝锆合金是加州的一个实验团队于2017年开发,专为解决铝合金3D打印裂缝问题而设计。
过程中,NIST研究团队注意到原子的排列方式极为不寻常,与科学界认知的“传统晶体”不一样,但与先前以色列理工学院材料科学家Dan Shechtman发现的“准晶体”极为相似。“准晶体”又称“拟晶”或“准晶”,是一种介于晶体和非晶体之间的特殊固体。
实验人员发现,“准晶体”破坏了铝晶体的规则结构,使得原本完美的内部出现更多缺陷,从而强化金属的性能。原因在于它独特且非重复的原子排列方式,使它们填满整个金属内部空间,
他们还发现,这些准晶体具有五重旋转对称性,即旋转晶体时有五种角度看起来都相同。此外,该“准晶体”从两种不角度观测时,能显示它具有三重对称性和双重对称性。
目前,科学界公认的传统晶体图案大约只有230种,该种晶体是由原子或分子以重复模式构成的任何固体,像是常见的食盐。不过,这些传统晶体因完美结构,导致其内部的原子与原子容易产生滑动,让物体出现了弯曲、拉伸或断裂等现象。
NIST工程师Andrew Iams对NIST研究院的新闻室表示,“在发现之前,我很难相信有这种晶体是真的,直到通过显微镜观察材料时,才发现自己可能看到一种准晶体。这种五重对称性是一种准晶体的明显迹象,且非常罕见。”