在火星上进行 3D 打印?研究者开发火星表岩屑模拟物金属复合材料

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   it爱好者2022-09-08 09:50:16
在未来的火星探索过程中,不起眼的火星尘埃或许蕴含着巨大的潜力。利用 3D 打印技术,研究人员将少量模拟的火星岩石与钛合金混合,制成一种更强韧、更高性能的材料。有朝一日,我们或许可以利用这种材料在火星上制造工具或火箭部件。

在制造新材料的过程中,美国华盛顿州立大学的研究人员加入了 5% 到 100% 的火星表岩屑模拟物,这是一种黑色粉状物质,模拟了这颗红色星球表面的无机岩石物质。一般意义上,火星土壤是指在火星表面发现的细粒表岩屑,其特性可能与地球土壤有明显差异。到目前为止,人类还没有获得任何采集的火星土壤样本,这将是未来火星采样返回任务的目标。根据火星漫游车和轨道勘测器远程研究的结果,科学家们在地球上制造出了模拟火星表岩屑化学和机械特性的材料,用于研究、试验并测试与火星土壤有关的活动,如运输设备、先进生命保障系统和现场资源利用过程中的防尘措施。

在新研究中,含有 5% 火星表岩屑模拟物的材料很坚固,而模拟物含量达到 100% 的材料则相当脆弱,很容易破裂。即便如此,该研究的通讯作者阿米特・班德亚帕德耶(Amit Bandyopadhyay)仍表示,高火星表岩屑模拟物含量的材料也可以用于制造涂层,用于保护设备免受生锈或辐射损伤。这项研究的结果发表在近期的《国际应用陶瓷技术杂志》(International Journal of Applied Ceramic Technology)上。

班德亚帕德耶教授来自华盛顿州立大学的机械与材料工程学院,他说:“在太空中,如果我们想实现载人任务,就必须使用 3D 打印技术,因为我们无法从地球上携带所有东西。一旦有什么东西遗漏了,我们就没办法回来拿了。”

将各种原材料送入太空将会极其昂贵。例如,研究作者指出,美国国家航空航天局(NASA)的航天飞机将 1 千克有效载荷送入地球轨道的成本约为 5.4 万美元。任何能在太空,或者其他行星上制造的东西都有助于减轻载荷,节省成本。此外,如果出现任何设备损坏的情况,宇航员们还需要在现场进行修复。

2011 年,班德亚帕德耶第一次证明了就地取材,并使用 3D 打印技术制造设备零部件的可行性。当时,他的团队使用 3D 打印技术,以月球表岩屑模拟物为原材料,为美国国家航空航天局制造零件。从那时起,多个航天机构开始接受这项技术,国际空间站也拥有了自己的 3D 打印机,可以在现场制造所需的材料并用于实验。

在这项新研究中,班德亚帕德耶等人使用粉末型 3D 打印机将碾碎的火星表岩屑模拟物与钛合金混合。钛合金具有较高的强度和耐热性能,经常用于太空探索。在研究过程中,一个高能激光器将混合材料加热到超过 2000 摄氏度,然后,融化的火星表岩屑模拟物陶瓷和金属材料混合物流到一个移动平台上,进而塑造出不同的尺寸和形状。在材料冷却后,研究人员对其强度和耐久性进行了测试。

完全由火星表岩屑模拟物制成的陶瓷材料在冷却过程中会开裂,但正如班德亚帕德耶所指出的,这种材料仍然可以作为很好的辐射屏蔽涂层,因为裂纹在这种情况下并不重要。如果混合物中只含有少量火星表岩屑模拟物,比如含量为 5%,则最终获得的陶瓷材料不仅不会破裂或起泡,还会表现出比单独使用钛合金更好的性能。这意味着,这种材料可以用来制造更轻的零部件,同时能够承受更重的负荷。

班德亚帕德耶表示,这项新研究提供了一种性能更好,同时强度和硬度都更高的材料,在某些应用中可以表现得更好。

当然,这项研究也仅仅是一个开始,未来研究人员可能会采用不同的金属或 3D 打印技术,制造出更好的复合材料。“这项研究证明了这是可能的,也许我们应该朝这个方向思考,”班德亚帕德耶说,“因为这并不仅限于制造出脆弱的塑料部件,而是制造坚固的金属陶瓷复合材料,可以用于任何类型的结构部件。”


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