化腐朽为神奇！宾汉姆顿大学计划利用氧化来提高3D打印金属的性能

盖世汽车 在设计包含金属在内的机械系统时，工程师面临的最大问题可能就是氧化。这种化学反应会形成锈蚀或引发其他问题，从而影响设备的效率或寿命。增材制造金属的应用广泛涉及航空航天、海洋和汽车设计等领域，但这种金属在腐蚀环境中更容易失效。与传统制造金属相比，3D打印工艺会增加孔隙率。

（图片来源：宾汉姆顿大学）

如果有一种方法可以通过氧化使金属更坚固呢？这是宾汉姆顿大学（Binghamton University）托马斯·J·沃森工程与应用科学学院（Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science）新研究背后的想法。

最近，沃森学院机械工程系教员Changhong Ke教授获得了美国国家科学基金会探索性研究早期概念资助（EAGER）项目的15万美元资助。该资金旨在支持未经测试但可能具有变革性的研究思路或方法。

据外媒报道，Ke教授将探讨把纳米管添加到增材制造铝中的潜力。他认为，由氮化硼（一种通常用于化妆品、铅笔芯和牙科胶接剂的化合物）制成的微观结构可以使这种材料在潮湿和海水等腐蚀性条件下实现自我增强。

Ke教授表示：“你无法避免氧化，所以研究人员试图利用它，把它变成新的强化机制，从而使材料更坚固。这将是一件令人惊叹的事情。人们可以尝试设计包含这些孔隙的材料，甚至有目的地引入更容易氧化的结构，因为氧化对材料本身有益而不是有害。”

贯穿金属的纳米管有几纳米厚，几到几百微米长。为了解氧化如何改变纳米管与金属结合的方式（这是自我强化机制的核心问题），Ke及其在纳米机械实验室（Nanomechanics Laboratory）的团队将使用力传感器，在高分辨率扫描电子显微镜内将单个纳米管从氧化金属中拉出来，以进行实时观察。他表示：“我们把它设计成三明治结构。这就像是一个热狗，纳米管是肉，金属是面包。”

研究人员还将从宏观尺度测试该材料，观察负载转移，以进一步了解氧化如何影响纳米管增强金属的刚度、强度和韧性。了解各种自我强化是如何发生的，具有重要意义。因此，伊利诺伊大学（University of Illinois）的合作者将通过计算建模来证实Ke的实验结果。

Ke表示：“我们希望这可以为科学界提供新的视角，以了解如何从未来的材料设计角度来看待金属氧化。这可能会改变这些金属材料的研究前景，尤其是3D打印金属，在不同领域具有良好的应用前景。”