賓漢姆頓大學利用氮化硼納米管金屬3D打印技術或將氧化轉化為優(yōu)勢

南極熊導讀：在設計金屬機械系統(tǒng)時，工程師面臨的主要挑戰(zhàn)之一是氧化，可能導致設備效率和壽命問題。盡管增材制造的金屬在航空航天、海洋和汽車設計等領域取得了進展，但在腐蝕性環(huán)境中更容易失效。與傳統(tǒng)制造的金屬相比，3D打印工藝會增加金屬的孔隙率。若能找到一種方法通過氧化使金屬更堅固，將會對工業(yè)界產生重大影響。

△沃森應用科學學院機械工程系助理教授Changhong Ke

2024年5月27日，南極熊獲悉，美國賓漢姆頓大學沃森學院機械工程系教授Changhong Ke通過美國國家科學基金會（National Science Foundation）的探索性研究早期概念補助金（EAGER）項目獲得了一筆15萬美元（約合108萬人民幣）的資助，用于研究在金屬3D打印（尤其是鋁）中加入氮化硼納米管的潛力。

Ke說：“氧化是無法避免的，因此我們正試圖利用它，將其轉化為一種新的強化機制，使材料變得更加堅固。這將是一件非常了不起的事情。人們可以嘗試在設計材料時加入這種多孔性，甚至特意引入更容易氧化的結構，因為這對材料本身是有益而非有害的。”

△氮化硼納米管微觀結構

氮化硼納米管3D打印技術

氮化硼納米管是一種革命性材料，于1995年首次在實驗室環(huán)境中開發(fā)。這種材料具有優(yōu)異的機械性能，極強的耐熱和抗氧化性能，同時還具有不受管徑和手性影響的穩(wěn)定寬禁帶半導體特性，可以用于納米尺度的電子器件、納米結構的陶瓷、高強度纖維材料等。

與碳納米管相似，氮化硼納米管的獨特之處在于其具有電絕緣性，并且在更高溫度下具有熱穩(wěn)定性，從而拓寬了它潛在應用領域。這些特性使得氮化硼納米管成為適用于航空航天、汽車、國防和生物醫(yī)學等市場的理想材料。

研究將納米管加入增材制造鋁的可能性

貫穿整個金屬的氮化硼納米管只有幾納米厚，幾微米到幾百微米長。為了觀察氧化如何改變納米管與金屬的結合方式（這是自加固機制的核心問題），Ke和他在賓漢姆頓大學納米力學實驗室的團隊將在高分辨率掃描電子顯微鏡內，使用力傳感器將單個納米管從氧化金屬中拉出，這樣他們就能實時觀察到發(fā)生了什么。

他解釋說：“我們將其設計為三明治結構。它就像一個熱狗，納米管是肉，金屬是面包�！�

研究人員還將通過檢查負載轉移來更大規(guī)模地測試該材料，以了解氧化如何影響納米管增強的金屬的剛度、強度和韌性。來自伊利諾伊大學的計算建模合作者將驗證Ke的實驗結果，因為理解材料自我強化的機制對于研究者來說至關重要。

Ke說：“我們希望這將為科學界提供一個新的視角，讓他們了解我們在未來的材料設計中是如何看待金屬氧化的。這可能會改變這些金屬材料，尤其是3D打印金屬材料的研究格局。它在不同領域的應用前景非常廣闊，甚至可以重振美國制造業(yè)的競爭力�！�