3D列印 硬度勝過鑽石 更輕更強 蜂巢奈米晶格 航太新希望

編譯韋士塔 |2020.06.06
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航太產業非常注重材料的特性和功能。 圖/法新社
薄片式奈米晶格結構是航太產業的新希望。 圖/法新社

編譯韋士塔

美國爾灣加州大學材料研究所(IMRI)的科學家,開發出硬度勝過鑽石的蜂巢狀奈米立方體晶格結構,不僅堅固而且輕巧,未來可能被廣泛應用於航太產業。

研究人員表示,這種薄片式奈米晶格結構(Plate-Nanolattices)由緊密連接的蜂巢狀薄片組成,而非過去常見的圓柱形架構。主持這項研發計畫的材料科學家鮑爾(Jens Karl-Heinz Bauer)表示:「圓柱形結構在機械性能方面不算太理想,薄片式奈米晶格結構的硬度是圓柱形架構的6倍,強度則高出5倍。」

這項研究成果,已發表在《自然通訊》(Nature Communications)期刊。參與研究的材料科學家克魯克(Cameron Crook)指出:「科學家以前曾推測,薄片式奈米晶格結構極為強韌,但這種結構的製造難度太高,導致這項推測遲遲未能獲得 證實,直到我們成功研發出製造技術。」

克魯克表示,研究團隊運用雙光子微影雷射直寫技術(Two-Photon Lithography Direct Laser Writing),以複合式3D雷射列印技術成功製造出薄片式奈米晶格結構。此外,研究團隊還在薄片上開孔,可去除多餘的材料。最後,透過高溫分解,形成一種由玻璃碳構成的強韌立方體晶格。

鮑爾指出,研究團隊的下一個目標,是探索薄片式奈米晶格結構的各種應用方式。他說:「這是改變長期以來對材料結構設計的新發現,有助創造更輕、更強的材料,是新一代材料技術發展的基礎。」

研究人員認為,這項研究攸關航空和航太產業的未來;這個產業不僅與科學領域有關,也影響政治、經濟、軍事和人類生活。航太產品必須在高溫、低溫、真空、強腐蝕等極端條件下運作,除了結構設計之外,材料的特性和功能也非常重要。

過去,航太工業最重要的材料是鋁,主因其輕量化、低成本的特性;隨著科技的發展,航太產業最重要的材料由鈦合金取代;這種金屬的強度是鋁合金的1.3倍,還具有耐腐蝕、耐熱等特點,而且重量更輕,適合製造飛機和各種太空飛行器,也被譽為「太空金屬」。太空飛行器的燃料箱、儀器固定帶、人造衛星、登月艙、載人飛船和太空梭,均大量使用鈦合金。

中國大陸科學家則在2017年研發出奈米陶瓷鋁合金,強度和剛度超越鈦合金;不過,這種材料的製程繁複,且加工所需的工藝要求極高。研究團隊導入奈米技術,突破工程應用瓶頸,目前已開始在航太、汽車、先進電子設備領域使用,包括天宮1號、天宮2號、量子衛星、氣象衛星的關鍵零件。

鮑爾認為,薄片式奈米晶格結構是航太產業的新希望;這種材料能夠提升飛行器的機械強度與飛行性能,一旦實現量產,將可製造更輕量化的飛行器,降低燃油消耗、提升續航力,足以讓航太產業產生顛覆性的轉變。

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