3d打印正在给制造业和科学的许多领域带来革命。特别是，金属的3d打印已经在各种领域找到了新的应用，如定制的医疗植入物、喷气发动机轴承和汽车行业的快速原型。
虽然许多技术都可以用于金属的3d打印，但大多数技术都依赖于计算机控制的激光或电子束对金属合金粉末的熔化或烧结。用这种方法生产的零件的力学性能已经得到了很好的研究，但对其电学性能的关注还不够。
这周杂志封面上出现了一篇论文应用物理通讯来自AIP出版社，墨尔本大学和西澳大学的研究人员团队报告称，他们通过铝硅合金(Al-12Si) 3d打印出了一个谐振微波腔。当冷却到铝的临界温度(1.2开尔文)以下时，它表现出超导性。
西澳大学工程量子系统中心节点主任Michael Tobar教授解释说:“电导率是电流流过材料的难易程度的衡量标准，而‘超导性’是一种极端的衡量标准。”“这是在许多材料中观察到的一种效应，其特征是当冷却到一定温度以下时，对电流流动的任何阻力都完全消失。”
超导腔在许多物理领域都很有用——从量子物理到粒子加速器。但是超导腔的设计正变得越来越复杂，通常涉及非标准的几何形状和谐振器阵列，这使得传统的加工更具挑战性。
因此，西澳大利亚大学的两个小组——一个由Tim Sercombe教授领导，他是材料和3d打印方面的专家，另一个由Tobar教授领导，他是工程量子系统和新型腔体设计方面的专家——结合他们的专业知识，开展了一项试点研究，探索3d打印部件的超导特性。
Tobar说:“人们对超导的物理学很了解，几十年来，人们已经知道铝具有超导性。”“但3d打印过程依赖于远非纯净的铝，它经历了几个过程——雾化、激光熔化、熔炉退火等。因此，我们想探索一系列已知的超导金属是否可以成功地进行3d打印，并保留其理想的电性能。”
一种被称为“选择性激光熔化”(SLM)的工艺倾向于生产晶粒非常小的成品材料，对于许多金属来说，超导发生的临界温度可能与晶粒尺寸密切相关。
“镧、钼和铌等材料的反应都不同，”Tobar说。“据观察，晶粒尺寸会增加或降低这一临界温度。具有高温临界温度的超导体特别有趣，因此这种3d打印工艺在减小晶粒尺寸方面可能有一些优势。SLM工艺还可以快速测试含有不同比例元素的新合金，这些元素以前没有测量过。”
除了测量超导性，该小组还想证明他们可以用这项技术做一些潜在有用的事情，所以他们决定3d打印一个谐振微波腔。
“使用一种称为‘矢量网络分析仪’的设备，我们在腔内以微波频率激发电磁共振模式，并测量其质量因子，即‘Q’。这是一种测量注入的微波在消失之前在腔内储存多长时间的方法。这与腔壁的表面阻力直接相关，”他解释道。
通过测量q因子，研究人员能够间接确定这种电阻，并表明材料在1.2开尔文时成为超导。
Tobar指出，这个结果“令人惊讶，因为合金中非超导硅的浓度非常高”。“这可能为打印新型腔体结构开辟新的可能性。”
该团队的成果马上就有用了——人们现在可以根据他们的工作制作各种各样的组件。
“因为超导体会排出磁场，所以磁屏蔽可以被打印出来用于实验，”Tobar说。“此外，任何需要100万q因子的腔实验都可以从这项技术中受益。”
根据Tobar的说法，对于需要更清晰的线宽和更高的q因子的技术，高纯度铌粉等起始材料可能是理想的。
他补充说:“关于3d打印超导体的文献相对较少，因此必须做进一步的工作来确定更合适的材料，以及如何提高部件的表面光洁度和电阻——可能是通过热处理或化学抛光/蚀刻。”
下一个步骤吗?该团队想尝试用高纯度的铌粉3d打印空腔。
“铌是一种极好的、广泛应用于超导腔的材料，”Tobar说。“我们预计，在SLM工艺中使用非常纯的金属粉末将会产生很好的效果。”
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