一直以來，科學(xué)家的注意力都集中在3D打印材料的機(jī)械特性上，現(xiàn)在他們想要在電特性上做些花樣。澳大利亞墨爾本大學(xué)的丹尼爾•克里頓（Daniel Creedon）和其他幾位研究人員設(shè)計(jì)、打印并測試完成了世界上首個(gè)3D打印超導(dǎo)微波諧振腔。科學(xué)家們稱他們?yōu)楦畠r(jià)更優(yōu)質(zhì)的超導(dǎo)原件的量產(chǎn)鋪平了道路。

3D打印金屬零件將會給許多工業(yè)領(lǐng)域帶來一場革命。例如，航母不再需要攜帶輪機(jī)配件、武器配件和搭載戰(zhàn)機(jī)的配件，每個(gè)配件都能在航母上打印出來。

很多人擔(dān)心3D打印部件的機(jī)械性能不及傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)出來的部件那么好，特別是像噴氣發(fā)動機(jī)組件這樣需要在苛刻環(huán)境下工作的部件。

材料科學(xué)家已經(jīng)花費(fèi)大量精力來研究3D打印部件的機(jī)械性能。3D打印技術(shù)目前已經(jīng)用于生產(chǎn)醫(yī)用定制人工骨組織、噴氣發(fā)動機(jī)軸承和汽車工業(yè)的原型車。

3D打印部件的機(jī)械性能是研究的熱點(diǎn)，然而，部件的電特性目前尚缺乏足夠的研究。

澳大利亞墨爾本大學(xué)的丹尼爾•克里頓（Daniel Creedon）和其他幾位研究人員設(shè)計(jì)、打印并測試完成了世界上首個(gè)3D打印超導(dǎo)微波諧振腔。他們稱，他們?yōu)楦畠r(jià)更優(yōu)質(zhì)的超導(dǎo)原件的量產(chǎn)鋪平了道路。

目前很多服務(wù)于前沿領(lǐng)域的科學(xué)儀器需要以超導(dǎo)微波諧振腔為核心部件，它能以諧振的方式儲存微波能量。工程上，要求微波諧振腔的能量損耗越小越好。

微波諧振腔是微波工程領(lǐng)域的基礎(chǔ)器件。二十世紀(jì)三十年代中期，微波諧振腔作為雷達(dá)技術(shù)的組成部分開始萌芽。盡管起初日本和德國略微領(lǐng)先，然而，1940年，英國發(fā)明了基于微波諧振腔的多腔磁控管，革命性地提高了雷達(dá)的性能，而此時(shí)多腔磁控管工作的物理機(jī)理甚至尚不明確。二戰(zhàn)期間，多腔磁控管確保了同盟國雷達(dá)性能的決定性優(yōu)勢。今天，微波諧振腔服務(wù)于諸多技術(shù)領(lǐng)域：例如：加速粒子加速器中的帶電粒子；以超高靈敏度探測震動；保證原子鐘輸出的時(shí)鐘頻率的穩(wěn)定性；測量微波波長；當(dāng)然，還有服務(wù)于千家萬戶的微波爐。

在腔體內(nèi)，微波會接觸腔體表面材料的電子，因此腔體材料的電阻直接決定了微波腔體的性能。腔體材料的理想電阻是零，即超導(dǎo)狀態(tài)。

制造超導(dǎo)微波諧振腔的成本很高。3D打印有望顯著降低成本，提高生產(chǎn)速度——但是3D打印是否會破壞材料的超導(dǎo)特性？在克里頓之前沒人知道。

為了研究3D打印對材料超導(dǎo)特性的影響，克里頓團(tuán)隊(duì)打印了2個(gè)內(nèi)壁形狀復(fù)雜的諧振腔：他們選擇性熔化鋁粉以生成特定形狀，然后繼續(xù)不斷熔化鋁粉，讓熔融金屬附著并成形在之前生成的毛坯上，如此這般直到完成。

這個(gè)過程既快又便宜，但是有幾個(gè)潛在的問題。

首先，3D打印出來的腔體表面比較粗糙。其次，用于3D打印的鋁粉和標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)鋁粉Al-6061的組分并不一樣。3D打印鋁粉中有占12%質(zhì)量的硅粉，而標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)鋁粉中，硅粉只占0.8%的質(zhì)量。3D打印鋁粉包含0.118%的鐵和0.003%的銅，而工業(yè)鋁粉包含0.7%的鐵、0.15%的銅和1.2%的鎂。

之前沒人知道表面粗糙度以及3D鋁粉和工業(yè)鋁粉的成分差異會導(dǎo)致什么結(jié)果。

克里頓團(tuán)隊(duì)決心回答這個(gè)問題。令他們吃驚的是，材料成分的差異并沒有影響最終3D打印出來的微波諧振腔的超導(dǎo)特性。

根據(jù)克里頓團(tuán)隊(duì)的報(bào)道，該諧振腔在零下271.8℃進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)，與理論預(yù)期一致，并且電特性與使用Al-6061工業(yè)鋁粉制造的產(chǎn)品高度相似。“3D打印微波諧振腔的性能完全可以比擬使用Al-6061工業(yè)鋁粉生產(chǎn)的產(chǎn)品，并且3D打印導(dǎo)致的腔體內(nèi)表面粗糙度增加沒有影響最終性能。”

此外，他們拋光了其中一個(gè)3D打印腔體的內(nèi)壁，將該腔體加到500℃，再自然冷卻至室溫。該過程使得作為雜質(zhì)的硅原子被擠出材料結(jié)構(gòu)。“500℃下的4小時(shí)退火處理成功將作為雜質(zhì)的硅原子排除，腔體的Q值（微波能量損耗越低，Q值越高）提高了1倍。”

該研究的具有顯著的潛在后繼研究價(jià)值。一個(gè)可能的研究方向是在3D打印中使用更純的鋁粉，克里頓團(tuán)隊(duì)稱，這應(yīng)該可以制造出質(zhì)量更高的諧振腔。另外一個(gè)方向是制造用傳統(tǒng)制造方法無法生產(chǎn)的諧振腔腔體，獲得之前工程上無法實(shí)現(xiàn)的性能。

該研究開辟了用3D打印技術(shù)生產(chǎn)超導(dǎo)微波器件的新紀(jì)元。