科研进展 | 一种模仿蜘蛛织网的高柔韧性大尺寸构件空间制造技术

2022-12-18
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制造能力是人类区别于其它动物的最重要特征之一。制造业也代表了一个国家的工业化水准。制造业本身也在往更广阔的太空以及微观世界发展。微纳及原子制造和太空制造技术代表着制造技术的前沿方向。其中太空制造技术在深空探测、太空资源利用、未来星际探索领域有大量和广泛的应用前景,是各航天大国争先发展的先进技术。2014年以来,国际空间站和中国货运飞船上先后实现了非金属零部件的太空制造。但由于空间微重力、高真空环境,太空制造技术面临很多挑战,尤其是对于金属材料,由于其具有较高熔点,将现有的熔融态增材制造技术应用于金属材料能耗高产热大,金属材料太空增材制造技术至今未取得突破。

钱学森实验室太空制造团队和中科院物理所团队、松山湖材料实验室空间材料团队,以及北京化工大学研究团队合作,受蜘蛛织网过程的启发,提出一种模仿蜘蛛结网、可应用于金属材料太空增材制造的工艺方法(图 1)。该方法利用在过冷液相温区具有粘性的非晶合金条带材料,类似蜘蛛丝,模拟蜘蛛结网方法,用电阻点焊的层间结合方式,在小功耗、比传统3D打印温度低1/3的条件下进行增材制造,这种技术既可避免在微重力环境下传统增材制造方法出现熔滴飞溅或者漂浮,又能高强度制造出各种形状复杂的样件(如图2)。由于该技术是在非熔融、较低温度下进行,对散热缓慢的高真空环境非常友好,因此非常适合应用于微重力、高真空的太空环境。

​图1 模拟蜘蛛织网的太空增材制造工艺方法

图2 形状各异的制造样件

传统的金属材料增材制造工艺通过形成熔池,实现制造层一层一层的叠加。层与层间的叠加粘接依赖于液体自身的重力。这种技术直接应用于太空环境中,存在能耗高,功耗高,微重力环境下层间粘接不牢,液体材料受扰动可能产生漂浮或者飞溅的问题。此外,由于金属材料熔点高,熔融态制造能耗高、热累积大,对散热困难的高真空环境很不友好。非晶合金是一种新型金属材料,兼具金属、玻璃、液态和固体的性能特征,具有高强度、高韧性、高弹性,同时还具有抗腐蚀、抗辐照等特性。另外,非晶合金还具有一般金属没有的,类似玻璃的加工成型特点,即其可在其过冷液相区进行加工、粘接。此外,现代快速凝固技术可以大批量、低成本地制备厚度在几十微米的非晶合金条带。

空间构件通常会面临高温差、强辐照、强腐蚀、高应变等极端环境,这种新开发的技术,利用非晶合金条带的综合优异性能,特别是其在过冷液相温区(远低于金属熔融温度)具有类似蜘蛛丝的粘性,用电阻焊的焊接电极类似蜘蛛脚,根据设计来粘接非晶合金带,编织制造了一系列各类样件(见图1)。样件包括复杂的中国结、大尺寸的薄壁杆件以及具有独特磁学性能的电磁铁芯。这种技术在非熔融状态下实现制造层的叠加,制造过程中不产生液滴或者熔池,因此,可避免在微重力环境下出现液滴飞溅或者漂浮。此外,在非熔融状态下实现层间叠加可减小功耗和热累积,非常适合散热缓慢的高真空环境。该课题通过调控工艺参数,制造样件即可可保持非晶态,同时保持良好的力学性能,拉伸强度可达原材料的70%,硬度几乎不发生改变。研究结果表明,利用该工艺方法,可制造大尺寸、高柔韧性、高强度的金属构件(如图3)。非晶合金的综合优异性能,可使这些构件在空间环境冷热循环、空间环境高能粒子辐照等复杂环境中表现出高稳定性。

图3 大尺寸、高柔韧性和高强度的金属制件

该工艺方法对于突破太空制造有非常重要的意义。相比于已经应用于太空制造的熔融沉积成形(FDM, fused deposition modeling)和熔丝制造技术(FFF, fused filament fabrication),该技术可应用于至今未取得突破的金属材料,比如将来有可能在空间制备大型桁架构建。模仿蜘蛛织网采用非连续层间粘接方式既可提高制造效率,又可降低能耗。采用综合性能独特的非晶合金条带作为原材料,即可避免利用金属粉末作为原材料带来的微重力环境下的粉末操控、携带难题,又便于收纳,降低原材料携带成本。他们的技术在非熔融态下进行增材制造,可避免微重力环境下液体漂浮或者飞溅,同时也降低制造能耗,减少热累积,减轻散热负担,非常适合太空微重力、高真空环境下的制造应用。

相 关 研 究 结 果 以 “ Bioinspired interlayer adhesion strategy for additive manufacturing in space”为题(DOI: 10.1002/adem.202201462),发表在SCI期刊Advanced Engineering Materials上。张琪为论文的第一作者,松山湖材料实验室汪卫华和钱学森空间技术实验室赵少凡为共同通讯作者。上述研究工作得到了国家自然科学基金项目(61888102,51901244,11790291)和173项目,广东省重大基础和应用基础项目(编号:2019B030302010)以及松山湖材料实验室开放基金重点项目(2021SLABFK11)的支持。

原文链接:https://doi.org/10.1002/adem.202201462

撰稿:空间材料团队