澳大利亚科学家首次3D打印出超导部件



近日,澳大利亚墨尔本大学的科学家Daniel Creedon及其同事有史以来首次设计、3D打印并成功测试了一个超导微波腔。科学家们称他们的工作为人们更快、更便宜地设计和制造新一代的超导零部件铺平了道路。

在科学家们日益增多的研究宇宙性质的实验中,超导腔是一个重要的组成部分,它的功能是存储微波,并让后者在尽可能不失去能量的基础上产生共鸣。

在这一过程中,微波需要与超导腔表面材料中的电子相互作用。因此,该材料的电阻是影响其性能的一个重要因素。这也是为什么要使用超导腔的主要原因,众所周知,超导材料的电阻基本为零。

共鸣的微波是很有用的——它们能够加速粒子加速器中的带电粒子,而且还是超敏感的运动探测器,它们可以产生高稳定频率,以帮助测量光速等。

显而易见,能够容纳这些微波的超导腔是一种何等高科技的设备。事实上也确实如此。为此,该设备制造起来不仅费时而且非常昂贵。

如今,3D打印技术的出现为人们带来了希望,因为该技术原本就以能 更加快捷和经济地制造各种复杂对象而著称。但是,这一技术到底会不会干扰该装置的超导性能,在此之前并没有人知道。

为了研究3D打印对这些装置的超导性能的影响,Creedon和他的同事使用一种可以选择性地融化铝粉并使其凝固成所需形状的技术简单地3D打印了两个腔体。

这一技术确实快速而便宜,但有一些潜在的局限性。首先是3D打印的对象表面往往比较粗糙。

第二个是这种铝粉的成分与标准的工业铝材Al 6061并不完全相同。尤其是,该种铝粉中含有12%的硅(以重量计),而标准的铝材却只有0.8%。此外,它还含有少量的铁(0.118%)和铜(0.003%),相比之下,标准的工业材料中含有0.7%的铁、0.15%的铜和1.2%的镁。

这种差异有可能产生重大影响也有可能影响微不足道,但是都需要严格的实验来测试。这也是Creedon和他的同事在做的事情。令他们吃惊的是,他们发现,上述这些因素对于腔体的超导性并没有产生显著的影响。

据Creedon称,这些3D打印的腔体在预期的1.2 Kelvin温度下达到超导状态,其电性能与工业铝材Al 6061类似,根本不受由于3D打印工艺带来的腔壁表面粗糙程度影响。

而且,他们还能通过对其中的一个腔体进行内部表面抛光、降低粗糙度来提高其性能。随后,他们又将其加热到770 K,并保持了四个小时,然后使它慢慢冷却至室温,通过这个过程将硅从材料中去除。“我们在去除残余的硅杂质后发现Q因子有了明显改进。”他们说。

这是一项有趣的研究,有进一步深入潜力。Creedon和他的同事们称,他们未来将尝试使用纯铝粉末,预计这将会制造出高质量的超导腔;除此之外他们还打算尝试以前使用传统的机加工技术无法实现的腔体形状。

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