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全球首次将3D打印用于制造超导谐振腔

2016-05-03 13:15 [3D打印] 来源于:3D科学谷
导读:超导谐振腔有极低的射频损耗,所以在许多场合,它都有潜在使用价值,由超导材料制成的射频超导谐振腔(简称超导腔),在超导状态下具有表面电阻低、损耗小、品质因数高的特点。

  超导谐振腔有极低的射频损耗,所以在许多场合,它都有潜在使用价值,由超导材料制成的射频超导谐振腔(简称超导腔),在超导状态下具有表面电阻低、损耗小、品质因数高的特点。然而,其昂贵的制造价格是该项技术的高门槛之一。  

  全球首次将3D打印用于制造超导谐振腔 

  长久以来,材料科学家们在3D打印的时候普遍关注打印出来的产品的力学性能,而忽视了其电气性能。如今,澳大利亚墨尔本大学的科学家DanielCreedon及其团队在获得3D打印超导谐振腔腔的突破,这在世界范围内属于首例,这为更快、更便宜地设计和制造新一代的超导谐振腔带来了不可思议的解决方案,更将我们对3D打印应用领域的关注点再一次拓宽。  
  超导谐振腔在越来越多的实验工具用来研究宇宙的性质,它们的目的是储存微波,让他们耗费尽可能少的能量并同时产生共鸣。共鸣的微波能够加速粒子加速器中的带电粒子,产生高稳定频率,以实现测量光速等应用。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,材料的电阻是影响谐振腔性能的一个主要因素,而众所周知超导材料的电阻基本为零。  
  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SLM选择性激光融化铝粉的打印技术,并制作出两个腔体。相比于原来的制造方法,选择性激光融化技术快速而且造价不象原来那么昂贵,当然3D打印的对象表面往往比较粗糙。  
  另外,Creedon团队所使用的铝粉的成分与标准的工业铝Al-6061并不一样。他们使用的铝粉重量比中含有12%的硅,而通常只有0.8%。此外,它还含有少量的铁(0.118%)和铜(0.003%),而通常标准的工业铝含有0.7%的铁、0.15%的铜和1.2%的镁。  
  经过测试发现,这些3D打印的腔体在1.2Kelvin开尔问预期温度下达到超导状态,其电性能与工业铝Al6061类似,并且3D打印工艺带来的粗糙腔壁表面也没有对超导性能带来明显影响。  
  随后,Creedon团队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超导性能。随后,他们又将其加热到770K的温度,并持续了四个小时,然后慢慢冷却至室温,通过这个过程将硅从材料中去除,而去除残余的硅杂质后发现Q因子有了明显改进。据了解,下一步Creedon团队打算尝试使用纯铝粉末,并且还希望改进超导腔的槽型设计以打印出传统机加工技术无法实现的形状。

 

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