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針對金屬3D打印零件的超導(dǎo)屬性進(jìn)行研究

如今,隨著(zhù)金屬3D打印技術(shù)(shù)在汽車(chē)、航空航天和醫(yī)療等領(lǐng)(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛,金屬3D打印技術(shù)(shù)儼然已是在3D打印界的一大熱門(mén)。事實(shí)上,金屬3D打印僅僅只是一個(gè)統(tǒng)一的稱(chēng)呼,下分還有很多不同的技術(shù)(shù),當(dāng)然了其中大部分都是依靠計算機來(lái)控制電子束或激光來(lái)燒結(jié)和融化金屬粉末。到目前為止,雖然研究員對于金屬3D打印零件的機械性已經(jīng)(jīng)做了大量的研究,但是對其電氣性能投入的力量反而遠遠不足了。


在《Applied Physics Letters》雜志封面上出現(xiàn)了一篇論文,在這篇論文中,來(lái)自墨爾本大學(xué)(xué)(University of Melbourne)和澳大利亞西部大學(xué)(xué)(University of Western Australia)的研究團隊使用一種鋁硅合金(Al-12Si)3D打印了一個(gè)微波諧振腔??茖W(xué)(xué)家們說(shuō),在將這個(gè)部件冷卻到鋁的臨界溫度(1.2 Kelvin)以下時(shí),它就表現(xiàn)出了超導(dǎo)性。


△科學(xué)(xué)家們3D打印的諧振腔樣品

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“電導(dǎo)率是衡量電流通過(guò)一種材料的容易程度的,而超導(dǎo)性指的是某些材料所具備的在低溫下失去電阻的特性?!卑拇罄麃單韃看髮W(xué)(xué)工程量子系統(tǒng)研究中心主任教授 Michael Tobar解釋說(shuō)。


超導(dǎo)腔在物理學(xué)(xué)的許多領(lǐng)(lǐng)域都有應(yīng)用——從量子物理學(xué)(xué)到粒子加速器等。但是如今超導(dǎo)諧振腔的設(shè)計正在變得越來(lái)越復(fù)雜,往往涉及到非標準幾何形狀和諧振器陣列,這就使得傳統(tǒng)的加工工藝面臨著(zhù)極大的挑戰(zhàn)。


所以,在澳大利亞西部大學(xué)(xué)有兩個(gè)科研團隊——一個(gè)由材料與3D打印專(zhuān)家Tim Sercombe教授領(lǐng)(lǐng)導(dǎo),另一個(gè)則由工程量子系統(tǒng)和超導(dǎo)腔設(shè)計專(zhuān)家Tobar帶領(lǐng)(lǐng)——結(jié)合他們各自的專(zhuān)業(yè)(yè)知識發(fā)(fā)起了一項試點(diǎn)研究,來(lái)探索3D打印部件的超導(dǎo)態(tài)(tài)性質(zhì)(zhì)。


“超導(dǎo)物理很好理解,幾十年前人們就知道鋁具有超導(dǎo)性?!盩obar說(shuō):“但是3D打印工藝使用的鋁十分不純,而且它經(jīng)(jīng)歷了幾個(gè)過(guò)程——霧化、激光熔化、爐內(nèi)退火等。所以我們想對一系列已知的超導(dǎo)金屬進(jìn)行一下研究,看看這些金屬在3D打印后能否保留其電性能?!?/span>


比如一種被稱(chēng)為“選擇性激光熔融(SLM)”的金屬3D打印技術(shù)(shù)往往會(huì )制造出具有非常小顆粒的成品材料,而許多金屬,其表現(xiàn)出超導(dǎo)性的臨界溫度往往跟其顆粒尺寸相關(guān)(guān)性非常大。

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“比如鑭、鉬、鈮這些材料都有不同的反應(yīng)?!盩obar說(shuō):“我們所觀(guān)察到的顆粒尺寸既可能降低臨界溫度,也可能升高臨界溫度。具有高臨界溫度的超導(dǎo)體尤其有趣,所以該3D打印工藝在減少顆粒尺寸方面可能會(huì )有一些優(yōu)(yōu)勢。另外,SLM工藝還能夠幫我們快速測量具有不同元素比例的新型合金?!?/span>

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除了測量超導(dǎo)性之外,研究團隊還想看看他們是否能夠用這種技術(shù)(shù)制造出可能有用的東西,所以他們決定3D打印微波諧振腔。

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“使用一種叫做“矢量網(wǎng)(wǎng)絡(luò )(luò)分析儀”的裝置,我們激活了腔內(nèi)微波頻率共振的電磁模式,并測量其質(zhì)(zhì)量因子(又名Q)。這是一個(gè)測量將微波注入諧振腔后它能夠存在多長(cháng)時(shí)間的指標。它直接與諧振腔壁的表面電阻有關(guān)(guān)?!彼忉屨f(shuō)。

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通過(guò)對Q因子的測量,研究者們能夠間接地確定電阻。而結(jié)果顯示材料在1.2Kelvin的條件下具有超導(dǎo)性。

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這一結(jié)果"令人吃驚,因為該合金當(dāng)中存在大量非超導(dǎo)性的硅”。Tobar指出:“它可能會(huì )為打印全新腔結(jié)構(gòu)帶來(lái)新的可能性。



而且,研究團隊的這一成果有很大的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值——人們現(xiàn)在可以根據(jù)這一結(jié)果打造各種部件。

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“因為超導(dǎo)體驅(qū)逐磁場(chǎng),我們可以為實(shí)驗打印磁屏蔽?!盩obar說(shuō):“此外,任何需要Q因子的值在100萬(wàn)左右的腔實(shí)驗均可從該技術(shù)(shù)中受益?!?/span>

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而對于那些需要清晰得多的線(xiàn)寬和高Q因子值得技術(shù)(shù),據(jù)Tobar稱(chēng),高純度的鈮粉可能是理想的起始材料。

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“由于對于3D打印超導(dǎo)體的科技文獻較少,所以我們必須做進(jìn)一步的研究以確定更加合適的材料,以及如何提高零部件的表面光潔度和性能——比如是否可能通過(guò)熱處理或化學(xué)(xué)拋光/蝕刻等?!彼a充說(shuō)

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下一步?科學(xué)(xué)家們想要嘗試用高純度鈮粉3D打印超導(dǎo)腔。

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“鈮是優(yōu)(yōu)秀的材料,在超導(dǎo)腔中使用得很廣泛?!盩obar說(shuō):“我們預(yù)計把非常純的鈮金屬粉末用于SLM工藝能獲得很好的效果?!?/span>


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