3D打印“金屬木材”使鎳與鈦一樣堅(jiān)固，但輕了1/5

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我們?nèi)粘Ｊ褂玫匿撹F和其他金屬并不像它們被描述得那樣強(qiáng)大。構(gòu)成鋼、鋁和鈦等金屬的晶體結(jié)構(gòu)賦予它們強(qiáng)度和柔韌性，但這種結(jié)構(gòu)不完美，因此所受應(yīng)力有時(shí)遠(yuǎn)低于金屬本身的理論強(qiáng)度極限。例如，如果鈦具有理想的結(jié)構(gòu)，則其強(qiáng)度將提高10倍。

克服這種情況的一種方法可以在普通木材中找到。純纖維素是木材中的主要成分，但當(dāng)它形成復(fù)雜的木材結(jié)構(gòu)時(shí)，它變得如此強(qiáng)大，使木材和商用鋼具有相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。在賓夕法尼亞大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用力學(xué)系助理教授James Pikul的帶領(lǐng)下，這項(xiàng)新研究探討了采用金屬的新方法，并賦予其多孔結(jié)構(gòu)，使木材具有強(qiáng)度。

在過(guò)去，這已經(jīng)通過(guò)尋找將熔融金屬變成泡沫的方法，或者使用具有百納米精度的3D打印來(lái)逐漸形成類似木材的金屬來(lái)完成。問(wèn)題是金屬泡沫3D打印過(guò)程很慢，很難從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模擴(kuò)大規(guī)模。

“我們稱之為金屬木材的原因不僅僅是它的密度，木材的密度，而是它的細(xì)胞性質(zhì)，”Pikul表示。“細(xì)胞材料是多孔的;如果你看看木紋，那就是你所看到的 - 那些厚而致密的部分用于固定結(jié)構(gòu)，部分是多孔的，用于支持生物功能，如往返運(yùn)輸細(xì)胞。我們的結(jié)構(gòu)很相似。我們的區(qū)域厚而密，有堅(jiān)固的金屬支柱，多孔的區(qū)域有氣隙。我們只是在長(zhǎng)度級(jí)別上操作，支柱的強(qiáng)度接近理論最大值�！�

根據(jù)研究人員的說(shuō)法，關(guān)鍵是要采用更小的級(jí)別來(lái)提高強(qiáng)度。他們通過(guò)將幾百納米寬的塑料球懸浮在水中來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的，并允許其蒸發(fā)。當(dāng)水消失時(shí)，球體會(huì)變成整齊的幾何結(jié)晶圖案。然后用薄的鉻電鍍電鍍，并用鎳填充球體。然后塑料被溶解，剩下的是一個(gè)開放的金屬支柱網(wǎng)絡(luò)，有70％的空間 - 使其足夠輕，可以漂浮在水中。

到目前為止，測(cè)試金屬已經(jīng)是面積約為1平方厘米的金屬薄片形式。而且，這是一個(gè)非常昂貴的過(guò)程。然而，研究人員的目標(biāo)是可以更便宜地生產(chǎn)更多數(shù)量的材料。此外，團(tuán)隊(duì)需要了解“金屬木材”的特性，例如敲擊時(shí)是否凹陷或破碎。

該技術(shù)的另一個(gè)有趣的潛力是金屬中的空白空間可以填充另一種材料。就像木材中的毛孔用于容納活細(xì)胞并輸送水和養(yǎng)分一樣，“金屬木材”可以填充有例如電池等材料，以產(chǎn)生諸如自供電機(jī)翼或假腿之類的東西。

該研究發(fā)表在《自然》子刊《科學(xué)報(bào)道》(Scientific Reports)上。

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