美国研发新型3D打印复合材料 脆性陶瓷可弯曲且工业量产
美国研究人员开发出一种新型3D打印智能复合材料，可使脆性陶瓷具备弯曲、吸能及承受重载荷的能力，且能实现全工业规模生产。
这一创新解决了材料科学领域最棘手的难题之一：让形状记忆陶瓷在规模化生产时不破裂。它可能改变工程师设计承受应力、振动和冲击结构的方式。
研究由弗吉尼亚理工学院暨州立大学（Virginia Tech）材料科学与工程副教授Hang Yu博士领导，他自麻省理工学院博士后阶段起就致力于解决该问题。
如今，Yu与博士生Donnie Erb、博士后研究员Nikhil Gotawala合作，展示了通过固态制造工艺将功能性陶瓷颗粒直接嵌入金属的方法。
形状记忆陶瓷长期以来令科学家着迷——它们能在应力或热量作用下改变内部结构并恢复原状，还可无需齿轮或活动部件就能运动或吸能（类似医疗设备中使用的镍钛合金）。
但此前，形状记忆陶瓷仅能在微观尺度发挥作用，批量生产常导致断裂。为克服这一问题，团队将微小的形状记忆陶瓷颗粒嵌入金属。
他们采用增材摩擦搅拌沉积（AFSC）工艺：通过在高压下旋转材料，使材料在熔点以下融合，形成无缺陷的强复合材料——陶瓷可在应力下发生相变以耗散能量。
与通常脆性的陶瓷不同，该材料还能以3D打印方式批量生产，且打印状态下密度完全达标。团队称，这为国防、基建、航空航天甚至高性能体育器材的应用开辟了可能。
Yu表示，该复合材料能承受拉伸、弯曲和压缩，并通过应力诱导马氏体相变吸能：“从这个意义上说，它是多功能的，让我们能向制造具有实际应用潜力的大型产品迈进。”
Yu在新闻稿中指出：“这项研究首次使用可规模化的固态3D打印工艺制造出块状形状记忆陶瓷-金属基复合材料。”
团队认为，这一突破可应用于广泛领域，包括国防系统、航空航天、基建和体育用品的减振与吸能。例如，嵌入陶瓷的金属可用于高尔夫球杆杆身，在保持轻量化的同时减少振动。Erb说：“这种复合材料为已有特定应用的金属增加了新功能。”
该研究凸显了弗吉尼亚理工在先进制造领域的优势。Yu在国家科学基金会和美国陆军研究实验室的支持下，一直在探索增材摩擦搅拌沉积的应用。
Yu总结道：“这种复合材料非常有趣，陶瓷的形状记忆功能是我博士后阶段就开始研究的。现在我能将这两个兴趣结合，开发新的关键应用，这非常令人兴奋。”
研究成果发表于《材料科学与工程：R辑》期刊。