隨著越來(lái)越多的初創(chuàng)公司獲得資金并在商業(yè)聚變能源生產(chǎn)方面取得突破，麻省理工學(xué)院博士生亞歷山大·奧布萊恩正在致力于通過(guò)金屬陶瓷復(fù)合材料增材制造的研究來(lái)提供下一代聚變?cè)O(shè)備。

目前，奧布萊恩在麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程系（NSE）進(jìn)行的研究利用增材制造技術(shù)，在構(gòu)建過(guò)程中準(zhǔn)確定位金屬漩渦中的陶瓷納米顆粒，而這是傳統(tǒng)的成型制造工藝無(wú)法做到的。陶瓷基復(fù)合材料被認(rèn)為是包括航空和航天在內(nèi)的多個(gè)先進(jìn)制造業(yè)未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵材料，據(jù)報(bào)道，賽峰集團(tuán)和通用電氣航空公司都在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)部件上大力投資采用陶瓷基復(fù)合材料。AM 是使用這些超先進(jìn)材料的關(guān)鍵推動(dòng)因素。蓬勃發(fā)展的核聚變能源領(lǐng)域也是一個(gè)天然的契合點(diǎn)。下一代裂變也是如此。

“隨著新聚變裝置的設(shè)計(jì)開(kāi)始啟動(dòng)，越來(lái)越明顯的是，我們一直使用的材料無(wú)法承受操作環(huán)境中的更高溫度和輻射水平，”奧布萊恩解釋道。增材制造“為金屬的應(yīng)用開(kāi)辟了一個(gè)全新的可能性領(lǐng)域，這正是您[建造下一代聚變發(fā)電廠]所需要的，”他說(shuō)。

金屬和陶瓷本身可能無(wú)法承受高溫(目標(biāo)是 750 攝氏度)、應(yīng)力和輻射，但它們組合在一起可能會(huì)達(dá)到這些目的。奧布萊恩說(shuō)，盡管這種金屬基復(fù)合材料已經(jīng)存在了幾十年，但它們?cè)诜磻?yīng)堆中使用并不切實(shí)際，因?yàn)樗鼈?ldquo;很難以任何均勻性制造，而且尺寸確實(shí)有限”。

這是因?yàn)楫?dāng)你嘗試將陶瓷納米粒子放入熔融金屬池中時(shí)，它們會(huì)向任意方向掉落。“3D 打印很快就完全改變了這個(gè)情況，如果你想在非常特定的區(qū)域添加這些納米粒子，你就有能力做到這一點(diǎn)，”奧布萊恩解釋道。

奧布萊恩的工作涉及用陶瓷納米粒子植入金屬，這是他的博士論文和《增材制造》雜志上的一篇研究論文的基礎(chǔ)。最終結(jié)果是金屬基復(fù)合材料是聚變裝置的理想候選者，特別是真空容器組件，它必須能夠承受高溫、腐蝕性極強(qiáng)的熔鹽和核嬗變產(chǎn)生的內(nèi)部氦氣。

奧布萊恩的工作重點(diǎn)是 Inconel 718 等鎳高溫合金，它們是特別堅(jiān)固的候選材料，因?yàn)樗鼈兛梢猿惺芨叩墓ぷ鳒囟龋瑫r(shí)保持強(qiáng)度。氦脆是 Inconel 718 的一個(gè)問(wèn)題，即由聚變中子引起的氦氣泡導(dǎo)致脆弱和失效，但復(fù)合材料表現(xiàn)出克服這一挑戰(zhàn)的潛力。

為了制造復(fù)合材料，首先，通過(guò)機(jī)械銑削工藝將陶瓷涂覆到金屬顆粒上。陶瓷納米粒子充當(dāng)增強(qiáng)劑，尤其是在高溫下，并使材料的使用壽命更長(zhǎng)。均勻分散時(shí)，納米顆粒還會(huì)吸收氦氣和輻射缺陷，從而防止這些損傷劑全部到達(dá)晶界。

然后，該復(fù)合材料在市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者 EOS 的系統(tǒng)上進(jìn)行激光粉末床熔融 (L-PBF) 工藝。“通過(guò)用陶瓷涂覆這些顆粒，然后僅熔化非常特定的區(qū)域，我們可以將陶瓷保留在我們想要的區(qū)域，然后就可以構(gòu)建并具有均勻的結(jié)構(gòu)，”奧布萊恩說(shuō)。

核材料的 3D 打印展現(xiàn)出了如此大的前景，以至于奧布萊恩在博士研究結(jié)束后正在考慮追求這一前景。“這些金屬基復(fù)合材料的概念以及它們?nèi)绾卧鰪?qiáng)材料性能非常有趣，”他說(shuō)。他正在考慮通過(guò)一家初創(chuàng)公司擴(kuò)大其商業(yè)規(guī)模。