纳米结构材料制备技术介绍

传统金属材料在某些性能指标上，比如强度、位错密度等方面，无法满足应用要求，为了解决这些问题，首先下一代的金属化合物需要关注材料中纳米晶粒的结构及相互作用对材料性能的影响，通过激光处理控制纳米晶粒的尺寸及密度、晶粒之间的位错，为材料的表面加工提供了有效的手段。其次，将纳米材料加入金属材料进行3D打印，残余应力会导致材料开裂，通过加入石墨烯，激光和石墨烯的相互作用会使得材料硬度和疲劳强度大幅提高、残余应力下降。相比传统的结构制造工艺，例如光刻、模具压印等手段，超快激光可以产生非常强的力场，能够实现硬材料的纳米压印，达到常规方法达不到的效果，实现金属材料更好的结构功能化。

未来的金属材料要求更低的质量，同时要保证更高的强度。而保证材料的强度、韧性和可塑性始终是人们所追求的目标。可通过纳米结构设计来同时获得强度及延展性。纳米结构材料的制造主要分为两种方法。

1）纳米结构集成激光冲击喷丸

激光冲击喷丸（LSP）在实际应用中是非常有用的表面处理技术。它会在处理过的表面下方的金属中间产生很大的压缩残余应力，激光冲击喷丸引入的压缩残余应力可以显著改善组件的机械性能，如抗裂纹萌生和延展、延长疲劳寿命并增强疲劳强度。

LSP技术可以应用于各种金属部件，包括铸铁、铝合金、钛及其合金、镍基高温合金等。在航空航天工业中，LSP可用于处理很多航空航天产品，例如涡轮叶子和转子组件等。在汽车工业中，LSP可用于处理复杂几何形状的组件，使用LSP能使涡轮发动机免受异物损坏，可以在不损害表面光洁度的前提下提高涡轮风扇叶片的耐用性和抵抗力。

2）激光增材制造

在制造领域，激光是一种成熟的技术，已经在许多产品的开发中发挥了重要作用，并且创造了很多新的市场机会。在激光发展的早期，激光是物理学界的领域，主要用来从事研究和优化研究设备。现在，激光的应用一直在稳步增长，其影响已经在许多工业领域感受到，激光广泛应用于国防、航空航天、汽车、能源、娱乐和生物医学的各个方面。在制造行业中，激光的主要应用是切割、焊接、钻孔、打标、材料表面处理等。

激光增材制造与传统制造过程的区别在于它是添加材料以形成所需的实体几何形状，而不是常规加工中的减去材料。增材制造工艺不受传统制造方法的约束，激光增材制造能够直接从金属粉末中制备出具有复杂三维几何形状的金属构件。(www.xing528.com)

（1）3D打印。

3D打印是在粉末床表面撒上薄薄的粉末，聚合物黏合剂选择性地喷射到要建造物体的粉末上，粉末层下面的活塞可以精确地降低该部分，以便下一个新层可以铺在上一层的顶部。黏合剂再次按照预先设计的模式选择性地喷射到粉末上逐层重复该过程，直到零件制造完成。

（2）立体光刻。

立体光刻（SLA）是使用紫外线激光来选择性固化液态可光固化聚合物。在SLA的过程中，通过扫描激光束选择性地固化安装在平台上的建筑部件的第一层。可以从CAD模型中跟踪每层的图案，在打印过程中将其转换为STL文件。一旦零件的第一层固化，平台就可以精确地降低一定量的零件，从而可以将下一个未固化的光固化聚合物层施加到上一层的顶部，以进行下一个扫描周期。逐层重复此过程，直到完成零件制作。

（3）激光烧结。

激光束用于选择性地将热熔性粉末熔合成固体物体。激光可以从一个CAD模型中跟踪图案，并熔合图案的第一层。平台进一步精确地降低一定高度，以便可以重新应用以下第二粉末层。对后续层重复该过程直到零件制作完成。各种各样的粉状材料可用于包括塑料、金属、金属合金、高分子金属材料和金属组合的工艺，还有陶瓷。