LLNL科學(xué)家借助3D打印技術(shù)控制鋁熱反應(yīng)
在高中的化學(xué)課堂上，像鋁熱劑這一類的材料往往以能夠制造出耀眼的煙火而聞名，不過它們在實際生活中也有各種各樣的應(yīng)用。但是這一類的材料產(chǎn)生的反應(yīng)往往難以控制，會在很短的時間里釋放出大量的能量。如今，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究人員們已經(jīng)找到了使用3D打印技術(shù)來更精確地控制此類材料的方法。他們在《Advanced Materials》雜志上新發(fā)表的一篇論文（http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201504286/abstract）中介紹了這種方法。
“重要的是我們我們展示了3D打印可以改變材料的動態(tài)行為。”該論文的主要作者Kyle Sullivan。“它有很大的發(fā)展空間。”
時間回到1893年，德國化學(xué)家 Hans Goldschmidt在研究如何制造非常純金屬。他在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)三氧化二鐵和鋁混合后在高溫條件下會產(chǎn)生劇烈反應(yīng)（即所謂的放熱反應(yīng)）——比熔巖還要熱三倍。這就是我們俗稱的鋁熱反應(yīng)，Goldschmidt為此還在1895年獲得了一個專利。
1899年，Goldschmidt的發(fā)現(xiàn)被證明了在Essen鎮(zhèn)的電車軌道的焊接中特別有用。直到今天，它仍然被用于對鐵路軌道進(jìn)行熱焊接、原位修復(fù)機車的軸架以及金屬精煉等，因為這些都不需要很復(fù)雜的重型裝備。
不過，軍事部門往往對于這類材料特別感興趣，因為它們平時很穩(wěn)定，基本上不發(fā)生反應(yīng)，直到受到某種形式的刺激——比如接觸燒熱的保險絲、通過電擊、用激光照射，或者將其置于巨大的壓力之下等，然后您就得到了一次爆炸性的能量釋放。所以很多武器會使用這類材料——比如小炸彈或手榴彈——來造成更多傷害。（在二次世界大戰(zhàn)期間德軍和盟軍部隊中很流行在燃燒彈中加上鋁熱劑）
在此之前，科學(xué)家已經(jīng)嘗試了通過改變化學(xué)配方，或者使用更小的顆粒來控制鋁熱反應(yīng)的進(jìn)行。而LLNL的研究人員發(fā)現(xiàn)，他們可以使用直接油墨書寫（direct ink writing）技術(shù)從零開始創(chuàng)建反應(yīng)性材料結(jié)構(gòu)（Rma）來實現(xiàn)對鋁熱反應(yīng)更多的控制。
據(jù)中國3D打印網(wǎng)了解，首先研究人員們使用這種3D打印工藝（指直接油墨書寫）按照某種特定的幾何形狀制造出導(dǎo)電電極，然后在其表面覆上一層由微小的鋁熱劑納米顆粒組成的薄膜。“傳統(tǒng)的鋁熱劑是用材料隨機混合而成的。”LLNL的材料科學(xué)家 Eric Duoss在新聞發(fā)布會上說。而這種涂裝工藝使他們能夠在納米尺度下定制精確的混合比例以及所有材料的使用量。
隨后LLNL 研究人員發(fā)現(xiàn)只需改變這種微結(jié)構(gòu)的幾何形狀就能顯著改善對能量釋放的控制。迄今他們已經(jīng)實驗了多種結(jié)構(gòu)形狀——比如平坦的、帶欄架的或者帶溝的等，下一步他們將會在更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)上測試這種方法，比如晶格結(jié)構(gòu)。
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