3D打印将成为第四次工业革命的关键技术，而冶金 – 特别是钢铁制造业的发展 – 曾经是是原始工业革命的核心。而现在，3D打印正在改变冶金的现状，将材料的性能推向另一个高度。

单晶与多晶之利弊

    与许多传统的固体结构相比，采用复杂的网络结构通过3D打印技术可以实现高强度重量比。它们需要的材料少于完全坚固的结构，以实现类似的性能，从而使它们具有潜在的资源效率。并且减轻重量意味着需要更少的能量来携带它们，使得它们对于能量效率优先的应用（例如假肢或航空航天技术）而言是有趣的。然而，使用传统技术很难制造这种结构。这就是3D打印（也称为增材制造）发挥作用的地方。

    在近日的《自然》杂志上，伦敦帝国理工学院和英国谢菲尔德大学的科学家们报告了他们如何通过3D打印技术通过借鉴冶金学的概念（M.-S. Pham）来创造一种不寻常的材料。

其中的一项研究是受多晶体启发的，《自然 》杂志于2019年1月17日详述了这项工作，解释了这些均匀晶格如何复制金属单晶的结构：增材制造的晶格中的节点相当于单晶中的原子，而支柱相当于原子键。 在这些结构中的每一个中，原子平面或节点都完全对齐。

    虽然在某些应用中，例如喷气发动机的高温端，单晶材料是理想的，因为它们能够承受极端温度下的变形，但它们在机械性能方面存在局限性。这一点在具有均匀晶格结构的3D打印的零部件中也观察到这种限制。

    之前报道的材料通常由相同的“单元格”构成，这些单元格排列成使它们都具有相同的方向。结果，当加载超过屈服点时，出现局部高应力带，导致材料机械强度的灾难性崩溃。当结构被压缩时，一旦力足以引起永久变形，晶格就会沿着一个或多个节点平面剪切。没有什么可以抑制这种剪切，所发生的断裂就变成了灾难性的。

     在多晶材料 – 具有许多晶体的材料中 – 原子平面的排列是随机的，因此当剪切力在特定方向上时，裂缝在遇到晶体时会减慢或停止，此外，可以用于强化材料的相，沉淀物或夹杂物的形式引入不同的材料，这些材料也有助于抑制裂纹扩展。

科学家们特意在3D打印的塑料和金属格子中引入看起来像瑕疵的东西，以使它们变得更强。这种策略在较大范围内模拟了冶金学里的结构组成，可以增强正常结晶材料的机械性能，结构化材料的晶格结构类似于晶体中的原子排列。

     研究人员创造了一种模仿多晶结构的材料 – 也就是说，在这种材料中，材料被分解成具有不同晶格取向的“晶粒”，而不是单一的规则晶格结构。

更强大的轻质材料

     科学家们正在创造改变材料的设计方式，其中还创造了“元晶”的名称。由这些偏晶体制成的零部件的实验测试已经证明它们的机械强度非常高，其中多晶体材料能够承受几乎七倍于失效前的能量，超越了模仿单晶结构的材料。

     由节点和支柱的周期性排列组成的架构材料是轻质的，并且可以表现出在常规材料不存在的性能组合（例如负泊松比）。这些材料具有很高的耐损伤性能，并且具备很高的韧性，这提高了材料对外部负载的承受能力。

     在另一种方法中，科学家们模仿了一种称为沉淀硬化的技术，这种技术通常用于制造高性能合金。他们还研究了双相晶格（模仿钢）的技术。科学家们推测，3D打印可以用于给结构提供与超弹性材料相同的可逆应力诱导相变 – 在需要对变形恢复的情况下，这是一种理想的特性。

     科学家们一共探索了三种截然不同的材料，需要三种不同的3D打印技术。正如所料，这些材料的特性很重要。根据伦敦帝国理工学院的Minh-Son Pham博士，这种元晶体方法可以与多材料3D打印的最新进展相结合，为开发新型先进材料开辟新的研究前沿，这些材料重量轻，机械强度高，具有推动未来低碳技术发展的潜力。