3D打印將成為第四次工業革命的關鍵技術，而冶金 – 特別是鋼鐵制造業的發展 – 曾經是是原始工業革命的核心。而現在，3D打印正在改變冶金的現狀，將材料的性能推向另一個高度。

單晶與多晶之利弊

    與許多傳統的固體結構相比，采用復雜的網絡結構通過3D打印技術可以實現高強度重量比。它們需要的材料少于完全堅固的結構，以實現類似的性能，從而使它們具有潛在的資源效率。并且減輕重量意味著需要更少的能量來攜帶它們，使得它們對于能量效率優先的應用（例如假肢或航空航天技術）而言是有趣的。然而，使用傳統技術很難制造這種結構。這就是3D打印（也稱為增材制造）發揮作用的地方。

    在近日的《自然》雜志上，倫敦帝國理工學院和英國謝菲爾德大學的科學家們報告了他們如何通過3D打印技術通過借鑒冶金學的概念（M.-S. Pham）來創造一種不尋常的材料。

其中的一項研究是受多晶體啟發的，《自然 》雜志于2019年1月17日詳述了這項工作，解釋了這些均勻晶格如何復制金屬單晶的結構：增材制造的晶格中的節點相當于單晶中的原子，而支柱相當于原子鍵。 在這些結構中的每一個中，原子平面或節點都完全對齊。

    雖然在某些應用中，例如噴氣發動機的高溫端，單晶材料是理想的，因為它們能夠承受極端溫度下的變形，但它們在機械性能方面存在局限性。這一點在具有均勻晶格結構的3D打印的零部件中也觀察到這種限制。

    之前報道的材料通常由相同的“單元格”構成，這些單元格排列成使它們都具有相同的方向。結果，當加載超過屈服點時，出現局部高應力帶，導致材料機械強度的災難性崩潰。當結構被壓縮時，一旦力足以引起永久變形，晶格就會沿著一個或多個節點平面剪切。沒有什么可以抑制這種剪切，所發生的斷裂就變成了災難性的。

     在多晶材料 – 具有許多晶體的材料中 – 原子平面的排列是隨機的，因此當剪切力在特定方向上時，裂縫在遇到晶體時會減慢或停止，此外，可以用于強化材料的相，沉淀物或夾雜物的形式引入不同的材料，這些材料也有助于抑制裂紋擴展。

科學家們特意在3D打印的塑料和金屬格子中引入看起來像瑕疵的東西，以使它們變得更強。這種策略在較大范圍內模擬了冶金學里的結構組成，可以增強正常結晶材料的機械性能，結構化材料的晶格結構類似于晶體中的原子排列。

     研究人員創造了一種模仿多晶結構的材料 – 也就是說，在這種材料中，材料被分解成具有不同晶格取向的“晶粒”，而不是單一的規則晶格結構。

更強大的輕質材料

     科學家們正在創造改變材料的設計方式，其中還創造了“元晶”的名稱。由這些偏晶體制成的零部件的實驗測試已經證明它們的機械強度非常高，其中多晶體材料能夠承受幾乎七倍于失效前的能量，超越了模仿單晶結構的材料。

     由節點和支柱的周期性排列組成的架構材料是輕質的，并且可以表現出在常規材料不存在的性能組合（例如負泊松比）。這些材料具有很高的耐損傷性能，并且具備很高的韌性，這提高了材料對外部負載的承受能力。

     在另一種方法中，科學家們模仿了一種稱為沉淀硬化的技術，這種技術通常用于制造高性能合金。他們還研究了雙相晶格（模仿鋼）的技術。科學家們推測，3D打印可以用于給結構提供與超彈性材料相同的可逆應力誘導相變 – 在需要對變形恢復的情況下，這是一種理想的特性。

     科學家們一共探索了三種截然不同的材料，需要三種不同的3D打印技術。正如所料，這些材料的特性很重要。根據倫敦帝國理工學院的Minh-Son Pham博士，這種元晶體方法可以與多材料3D打印的最新進展相結合，為開發新型先進材料開辟新的研究前沿，這些材料重量輕，機械強度高，具有推動未來低碳技術發展的潛力。