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失传近300年的“绝世好钢”重出江湖!科学家3D打印出大马士革钢

科普中国中央厨房 2020-07-28

  网红技术3D打印,一直在带给我们惊喜,除了复杂的形状,在材料性能方面亦展现出巨大的想象空间。

  作者 | 杨怀超 纳米材料博士

  编辑 | 龙浩 高佩雯

  不求连城璧,只求伤人剑。一把称手兵器是古代大侠标配。这种古老的东西,现在和最新科技结合到了一起。

  最近,来自德国的科学家,用3D打印技术造出了一坨“绝世钢坯”,灵感来自18世纪之前的古法制钢工艺——大马士革钢。这种源于古印度的秘技,可以将铁铸成兼具硬度和韧性的好钢,在当时的冷兵器时代被奉为神器。

  而它的秘诀,就在于不同成分钢铁的逐层堆叠,一层硬、一层韧,最终造出的兵器可长期保持刃口锋利。3D打印跟随这个思路,直接生产出了失传已久的大马士革钢!

  研究详情发表在6月24日的《自然》杂志。

  名动江湖的古法制钢

  中国古代有越王勾践剑,英格兰有石中剑和断钢剑,日本有天丛云剑,而伊斯兰国度,有令欧洲人羡而不得的大马士革钢刀剑。

  这种来自东方的神奇材料,传说曾让12世纪东征穆斯林的英国十字军望而生畏,并热烈追逐。在13世纪让埃及的马穆鲁克骑兵以少胜多,击退超二倍蒙古兵。拿破仑曾评价:“法国步兵配上马穆鲁克骑兵天下无敌。”

  

  一把古代大马士革刀。冷兵器时代,铸铁术直接影响战争成败。|来自网络

  但是这一切在18世纪结束。法国远征的火炮打败了这些在中世纪凭借骏马宝刀战无不胜的东方勇士。大马士革钢原产地印度也被英国人侵占,锻造技术在18世纪中叶神秘失传。

  据早前《自然》杂志一项研究推测,技术失传很可能是因为锻造大马士革钢的原材料成分发生了变化,矿石中的一种或数种微量成分消失了。原来用于取材的矿脉被采尽,铁匠们凭眼睛无法察觉这样的变化,但是再也造不出之前的大马士革钢了。

  “点石成金”的微成分

  为什么肉眼不可见的微量成分,就能决定大马士革钢的命运?这从现代科学来讲,很好解释。

  我们日常所见的材料,无一不是由一个个原子组成。原子之间结合的紧密程度,决定了材料的硬度、韧性和光泽,等等。现代制钢也经常会为了得到特定性能,添加一些额外成分。

  在钢材中,用来调节硬度的通常是碳元素。在纯铁中,铁原子呈面心立方或体心立方排列,质地十分柔软。但加入碳之后,碳和铁会结合形成金属化合物碳化铁(Fe3C)。因为铁和碳之间结合力远高于铁原子之间结合力,所以硬度会大为增强。

  细看大马士革钢,会发现其表面有着如云海一般梦幻的银黑花纹。这些花纹就是碳含量不同所致。也生动表现了什么叫刚柔结合。

  其中黑色花纹就是含碳量较低(0.8%)的珠光体(现代炼钢也这么叫)。它韧性非常好,但是硬度不高,也就是软。银色花纹是含碳量较高(6.7%)的渗碳体,它硬度要高得多,然而韧性几乎为零,也就是脆。

  这两种成分单独做刀剑,都帅不过三秒,但是结合在一起,却是锋利度和韧性兼具,所向披靡。

  

  典型的大马士革刀及其表面花纹。|来自网络

  古人是怎样做到这种精细调控的,很难得知,无外乎反复锻打和升降温。我国越王勾践剑和日本刀剑,用的也都是这种刚柔结合的结构设计。它们代表古法冶金的高峰。

  3D打印行不行

  3D打印是近年被热炒的网红技术,一度被称为“第四次工业革命”,反复被资本热捧,又被冷落,待遇好似过山车。但它确实有传统制造技术难以企及的好处。

  和传统技术不同,它是一种逐层制造技术,又称增材制造技术。字面意思,就是制造过程中材料是往上加的。而传统的减材制造技术,如车、铣、刨、磨等,材料是往下减的。

  这使得它能够轻而易举地制造一些具有复杂结构的物件。因为使用增材技术,无论多么复杂的模型,只要将它“拆解”成薄片,使用计算机控制,将熔融状的材料(或其他可以进行薄片成型的材料)一层一层往上堆,就可以做出来。

  

  计算机控制3D打印成型过程(点击看动图) |来自网络

  比如下面这对棋子,国际象棋的王和后。左边的形状相对简单,用传统减材技术,拿两根圆柱用车床沿着外轮廓划一圈,就算完事。但右边的那一对,就难办了。除非大神级工匠,一般人做不出来,造价也会相当昂贵。

  

  普通棋子(左)和3D打印棋子(右) | 作者供图

  但用3D打印技术,价格就很公道了。因为只要把熔融的材料从底部开始,一层一层往上涂抹,再冷却固化,就可以完成。成本和打印一对简单的棋子相差不多。

  这种不受复杂度限制、极其灵活的制造方式,极大拓展了设计师的思路。从观赏性的模型,到工业应用,不一而足。近期风靡的“神笔马良”,就让不少人大开眼界。

  

  3D打印工艺品(上)和3D打印笔作品(中下)。| 素材来自网络

  但琳琅满目的设计,也让人产生了审美疲劳。既然3D打印如此简单,那打印出多复杂的结构,都不足为奇。

  但万万没想到,科学家将这种特性,延伸到了材料性能调控领域,为3D打印赋予了全新想象空间。

  用网红技术打印古法钢坯

  在该新研究中,来自德国马普所的科学家,通过激光控制熔融金属,喷涂出了类似古代大马士革钢的微结构。激光用来加热金属,并且可以实现准确升温和降温,就像古代工匠的手法被精密的机器取代。

  实验得到了漂亮的花纹,说明做出的钢坯确实有大马士革钢的“味道”。并且,它的机械性能比传说中的大马士革钢还要好。

  

  3D打印的大马士革钢。由计算机控制高速冷却和循环再加热等热处理过程,实现特定合金微结构。 | Max Planck Society © Frank Vinken

  这块钢具有1300MPa的拉伸强度和10%的伸长率。MPa是个压强单位,相当于10个大气压。所以这块钢的拉伸强度达到1.3万个大气压。

  一般普通钢筋的拉伸强度在370~630MPa之间,这块钢的抗拉能力是普通钢材的2~3倍。按照普通成年男子极限硬拉力70kg计算,如果想把一根8毫米直径的3D打印钢筋拉断,大约需要95位男士齐上阵。

  如果怕站不下,还可以换成世界第一大力士,只需要14位就够了。但是这样的大力士,地球上只有一位。

  其实,不仅仅是钢材料,钛合金也可以通过3D打印形成精细结构,使得其抗弯强度提高25%。

  当然,这是另外一项研究,时间更早一些,当时也曾引起轰动。美国因此做倒闭了好几家公司,后来我国王华明教授做了出来,并因此评上了院士。

  更多应用,更多想象

  仰赖精准的数字化控制,3D打印不仅能提高钢材机械性能,其强大的微结构控制能力,也已被应用于更多领域。甚至因为不用做复杂的金属热处理,在其他领域早已大放异彩。

  例如,利用3D打印加工的光子晶体,可以对某些特定的光进行吸收,以及提高二极管的发光效率,未来还可以用在智能皮肤上,这种皮肤可以像变色龙一样,随着环境而改变颜色。

  利用3D打印技术还可以直接在直径不到200μm(约为头发丝粗细)的光纤顶端制造内窥镜,精密程度叹为观止。

  

  在光纤顶端制造内窥镜。|来自网络

  此外,它还可以应用到生物仿真领域,比如,利用3D打印技术模拟麦芒的结构,实现高效的雾水收集,有望应用于液滴传输、药物运输、细胞牵引、海水淡化等科学技术领域。

  还有3D打印的微流体芯片,可以实现低成本的快速微生物或者细胞检测。

  虽然资本偶尔会唱衰3D打印,但是在科技领域,可以说,它一直是热门。

  相关论文:

  Philipp Kürnsteiner, Markus Benjamin Wilms, AndreasWeisheit, High-strength Damascus steel by additive manufacturing, Nature,582: 515-519, 2020.

  文章由“十点科学”(ID:Science_10)公众号发布,欢迎转发朋友圈,转载请注明出处。

责任编辑:王超

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