2019/02/18
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3D打印“金属木材”使镍与钛一样坚固，但轻了1/5
我们日常使用的钢铁和其他金属并不像它们被描述得那样强大。构成钢、铝和钛等金属的晶体结构赋予它们强度和柔韧性，但这种结构不完美，因此所受应力有时远低于金属本身的理论强度极限。例如，如果钛具有理想的结构，则其强度将提高10倍。
克服这种情况的一种方法可以在普通木材中找到。纯纤维素是木材中的主要成分，但当它形成复杂的木材结构时，它变得如此强大，使木材和商用钢具有相当的强度。在宾夕法尼亚大学机械工程与应用力学系助理教授James Pikul的带领下，这项新研究探讨了采用金属的新方法，并赋予其多孔结构，使木材具有强度。
在过去，这已经通过寻找将熔融金属变成泡沫的方法，或者使用具有百纳米精度的3D打印来逐渐形成类似木材的金属来完成。问题是金属泡沫3D打印过程很慢，很难从实验室规模扩大规模。
“我们称之为金属木材的原因不仅仅是它的密度，木材的密度，而是它的细胞性质，”Pikul表示。“细胞材料是多孔的;如果你看看木纹，那就是你所看到的 - 那些厚而致密的部分用于固定结构，部分是多孔的，用于支持生物功能，如往返运输细胞。我们的结构很相似。我们的区域厚而密，有坚固的金属支柱，多孔的区域有气隙。我们只是在长度级别上操作，支柱的强度接近理论最大值。”
根据研究人员的说法，关键是要采用更小的级别来提高强度。他们通过将几百纳米宽的塑料球悬浮在水中来实现这一目的，并允许其蒸发。当水消失时，球体会变成整齐的几何结晶图案。然后用薄的铬电镀电镀，并用镍填充球体。然后塑料被溶解，剩下的是一个开放的金属支柱网络，有70％的空间 - 使其足够轻，可以漂浮在水中。
到目前为止，测试金属已经是面积约为1平方厘米的金属薄片形式。而且，这是一个非常昂贵的过程。然而，研究人员的目标是可以更便宜地生产更多数量的材料。此外，团队需要了解“金属木材”的特性，例如敲击时是否凹陷或破碎。
该技术的另一个有趣的潜力是金属中的空白空间可以填充另一种材料。就像木材中的毛孔用于容纳活细胞并输送水和养分一样，“金属木材”可以填充有例如电池等材料，以产生诸如自供电机翼或假腿之类的东西。
该研究发表在《自然》子刊《科学报道》(Scientific Reports)上。
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