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

來(lái)源： iVacuum

我們知道，增材制造對(duì)很多領(lǐng)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(shí)現(xiàn)，并且普遍認(rèn)為是不可能實(shí)現(xiàn)的。2021年4月，在學(xué)術(shù)期刊Additive Manufacturing發(fā)表的一篇論文中，成功造出了全世界第一個(gè)用增材制造方法實(shí)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(guò)3.6×10-13mbar l/(s mm2)。真空室是用AlSi10Mg材料，通過(guò)激光粉末床熔融技術(shù)生產(chǎn)的。詳細(xì)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(gè)表面層在實(shí)現(xiàn)達(dá)到超高真空方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

證明了增材制造（AM）適用于超高真空（UHV）設(shè)備的生產(chǎn)，從而為整個(gè)高真空和超高真空領(lǐng)域的快速成型、減重和增強(qiáng)功能等打開(kāi)了機(jī)會(huì)之門(mén)。

超高真空系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣，從已有的技術(shù)，如光電傳感器、照相機(jī)、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(lǐng)域，比如基于冷原子的便攜式量子傳感器，無(wú)不應(yīng)用了超高真空。AM可以促進(jìn)上述所有領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和技術(shù)發(fā)展，因?yàn)樵摷夹g(shù)可以大大減小相關(guān)UHV設(shè)備的尺寸，減輕重量，縮短開(kāi)發(fā)周期。比如這篇論文所研發(fā)的UHV腔室是通過(guò)激光粉末床熔融（POBF）技術(shù)，用AlSi10Mg材料進(jìn)行制造的，重量?jī)H為245克，比同等標(biāo)準(zhǔn)的真空室減輕了70%。這種級(jí)別的減重對(duì)于促進(jìn)UHV的天基應(yīng)用至關(guān)緊要，例如使用星載量子傳感器對(duì)基礎(chǔ)物理學(xué)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

然而，盡管最近在金屬的AM加工方面取得了一些進(jìn)展，但是尚沒(méi)有人用AM技術(shù)制造出一個(gè)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(dǎo)致放氣率增加，孔隙率較大可能會(huì)產(chǎn)生泄漏或因存在“死空間”而導(dǎo)致虛漏，而極限硬度不夠則會(huì)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(shí)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(lái)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(dǎo)熱系數(shù)，這可能會(huì)有助于提高3D打印時(shí)的一致性，并減少構(gòu)建缺陷。在本篇論文中，研究人員利用光學(xué)和電子顯微鏡、質(zhì)譜分析和X射線光電子能譜分析等，對(duì)增材制造AlSi10Mg的表面進(jìn)行了詳細(xì)分析。分析表明，這種AM材料表面的嚴(yán)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(shí)驗(yàn)和裝置的基礎(chǔ)，其中包括用于精確計(jì)時(shí)的原子鐘，應(yīng)用于地質(zhì)學(xué)、導(dǎo)航和土木工程的高精度重力計(jì)，以及用于導(dǎo)航和醫(yī)學(xué)成像的冷原子磁力計(jì)。AM方法在UHV設(shè)備上的應(yīng)用，將使這一重要的新興領(lǐng)域獲益匪淺。

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

作者認(rèn)為，將AM方法引入U(xiǎn)HV設(shè)備領(lǐng)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(shí)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(guān)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(jī)制也可能很有意義。這項(xiàng)研究也可能有助于進(jìn)一步增加超高真空系統(tǒng)用AM方法制造的選項(xiàng)。

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