在當(dāng)下的3D打印行業(yè)中，金屬3D打印技術(shù)可以說是一個(gè)熱門領(lǐng)域，在醫(yī)療、航空航天、汽車等領(lǐng)域都有很好的應(yīng)用，其市場正在快速增長。實(shí)際上，在這里金屬3D打印只是一個(gè)統(tǒng)稱，下面有多種不同的技術(shù)，不過其中大部分都是依靠計(jì)算機(jī)控制激光或電子束來融化或燒結(jié)金屬粉末。迄今為止，研究人員們對于金屬3D打印部件的機(jī)械性能已經(jīng)有了大量的研究，但是對于它們的電氣性能投入的注意力反而不夠。
日前，在《Applied Physics Letters》雜志封面上出現(xiàn)了一篇論文，在這篇論文中，來自墨爾本大學(xué)（University of Melbourne）和澳大利亞西部大學(xué)（University of Western Australia）的研究團(tuán)隊(duì)使用一種鋁硅合金（Al-12Si）3D打印了一個(gè)微波諧振腔。科學(xué)家們說，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。
“電導(dǎo)率是衡量電流通過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。”澳大利亞西部大學(xué)工程量子系統(tǒng)研究中心主任教授 Michael Tobar解釋說。
超導(dǎo)腔在物理學(xué)的許多領(lǐng)域都有應(yīng)用——從量子物理學(xué)到粒子加速器等。但是如今超導(dǎo)諧振腔的設(shè)計(jì)正在變得越來越復(fù)雜，往往涉及到非標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀和諧振器陣列，這就使得傳統(tǒng)的加工工藝面臨著極大的挑戰(zhàn)。
所以，在澳大利亞西部大學(xué)有兩個(gè)科研團(tuán)隊(duì)——一個(gè)由材料與3D打印專家Tim Sercombe教授領(lǐng)導(dǎo)，另一個(gè)則由工程量子系統(tǒng)和超導(dǎo)腔設(shè)計(jì)專家Tobar帶領(lǐng)——結(jié)合他們各自的專業(yè)知識(shí)發(fā)起了一項(xiàng)試點(diǎn)研究，來探索3D打印部件的超導(dǎo)態(tài)性質(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。”Tobar說：“但是3D打印工藝使用的鋁十分不純，而且它經(jīng)歷了幾個(gè)過程——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。”
比如一種被稱為“選擇性激光熔融（SLM）”的金屬3D打印技術(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)性非常大。
“比如鑭、鉬、鈮這些材料都有不同的反應(yīng)。”Tobar說：“我們所觀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)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。”
除了測量超導(dǎo)性之外，研究團(tuán)隊(duì)還想看看他們是否能夠用這種技術(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。
“使用一種叫做“矢量網(wǎng)絡(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)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時(shí)間的指標(biāo)。它直接與諧振腔壁的表面電阻有關(guān)。”他解釋說。
通過對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。
這一結(jié)果"令人吃驚，因?yàn)樵摵辖甬?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)帶來新的可能性。
而且，研究團(tuán)隊(duì)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。
“因?yàn)槌瑢?dǎo)體驅(qū)逐磁場，我們可以為實(shí)驗(yàn)打印磁屏蔽。”Tobar說：“此外，任何需要Q因子的值在100萬左右的腔實(shí)驗(yàn)均可從該技術(shù)中受益。”
而對于那些需要清晰得多的線寬和高Q因子值得技術(shù)，據(jù)Tobar稱，高純度的鈮粉可能是理想的起始材料。
“由于對于3D打印超導(dǎo)體的科技文獻(xiàn)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——比如是否可能通過熱處理或化學(xué)拋光/蝕刻等。”他補(bǔ)充說
下一步？科學(xué)家們想要嘗試用高純度鈮粉3D打印超導(dǎo)腔。
“鈮是*的材料，在超導(dǎo)腔中使用得很廣泛。”Tobar說：“我們預(yù)計(jì)把非常純的鈮金屬粉末用于SLM工藝能獲得很好的效果。”
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