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正在致力于通過金屬陶瓷復(fù)合材料和3D打印技術(shù)來研究下一代聚變設(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)制造工藝無法實(shí)現(xiàn)的。陶瓷基復(fù)合材料被認(rèn)為是未來航空、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：“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)“通過原位形成納米碳化物和硅化物來強(qiáng)化增材制造的Inconel 718”（傳送門）

通過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，特別是對于真空容器組件來說。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：“通過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�！彼�正在考慮通過一家初創(chuàng)公司擴(kuò)大商業(yè)規(guī)模。