麻省理工正在研究3D打印金属陶瓷复合材料用于聚变反应堆

2023年10月15日，南极熊获悉，麻省理工学院博士生Alexander O’Brien正在致力于通过金属陶瓷复合材料和3D打印技术来研究下一代聚变设备。

△麻省理工的研究人员Alexander O’Brien

O’Brien的研究在麻省理工学院核科学与工程系（NSE）进行，通过3D打印技术精准定位陶瓷纳米颗粒在熔池中，这是传统制造工艺无法实现的。陶瓷基复合材料被认为是未来航空、航天等先进制造业的关键材料，赛峰（Safran）集团和通用电气航空集团都在喷气发动机零件上大力投资陶瓷基复合材料。

△3D打印陶瓷基复合材料示意

3D打印金属陶瓷复合材料有什么用？

在蓬勃发展的聚变能源领域，O’Brien指出，随着新型聚变装置设计的启动，现有材料难以承受操作环境中更高温度和辐射水平。增材制造为金属应用开辟了全新可能性，正是构建下一代聚变发电厂所需的关键技术。

金属和陶瓷本身可能无法承受高温（目标是750摄氏度）、应力和辐射，但将它们组合在一起可能会达到这些目标。O’Brien指出，尽管金属基复合材料已经存在了几十年，但在反应堆中使用它们并不切实际，因为它们很难以任何均匀性制造，而且尺寸确实有限。

这是因为当你尝试将陶瓷纳米粒子放入熔融金属池中时，它们会向任意方向掉落。O’Brien解释说：“3D打印很快就可以解决这个情况，如果你想在非常特定的区域添加这些纳米粒子，你就有能力做到这一点。”

△这是他的博士论文和已发表在《增材制造》杂志上的一篇研究论文基础“通过原位形成纳米碳化物和硅化物来强化增材制造的Inconel 718”（传送门）

通过3D打印研究进行证明

O’Brien的工作专注于将陶瓷纳米粒子嵌入金属中，以创造金属基复合材料，这使其成为3D打印行业中聚变装置的理想选择之一，特别是对于真空容器组件来说。它们必须能够承受高温、腐蚀性极强的熔盐和核嬗变产生的内部氦气。

O’Brien的工作重点是镍高温合金，如Inconel 718。这些合金具有特别强大的特性，能够承受更高的工作温度并保持强度。然而，氦脆性（由聚变中子引起的氦气泡导致的脆弱和失效）是Inconel 718面临的一个问题，但复合材料显示出克服这一挑战的潜力。

为了制造复合材料，首先使用机械研磨工艺将陶瓷涂覆到金属颗粒上。陶瓷纳米粒子充当增强剂，特别是在高温下，可以延长材料的使用寿命。当纳米颗粒均匀分散时，它们还可以吸收氦气和辐射缺陷，从而防止这些损伤剂到达晶界。

△使用EOS的激光粉末床熔融（L-PBF）工艺进行打印

然后，该复合材料通过EOS公司的激光粉末床熔融（L-PBF）工艺进行制造。O’Brien解释说：“通过将陶瓷涂覆到这些颗粒上，然后只熔化非常特定的区域，我们可以将陶瓷保留在我们想要的区域，并构建具有均匀结构的材料。”

核材料的3D打印展示了巨大的前景，以至于O’Brien在博士研究结束后正在考虑追求这一领域的发展。他表示：“这些金属基复合材料的概念以及它们如何增强材料性能非常有趣。”他正在考虑通过一家初创公司扩大商业规模。