科学家用3D打印制造大马士革刀,居然成功了,还登上《自然》杂志

2021-12-03 09:31 啸云3D打印
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用3D打印技术制造大马士革刀?如果不是留意到作者的学术头衔,我绝对不会相信这是一个严谨的科研项目!据中科院国家纳米研究中心博士杨怀超介绍,科学家已经破解了大马士革刀性能卓越的奥秘,并用3D打印机模拟大马士革刀的内部结构,成功“复制”出了大马士革刀。

用最前沿的网红科技模拟古法打造刀具……让我们这些仍然坚持在用传统工艺手工做刀的刀匠情何以堪?这是真没打算给我们留饭吃啊!不得不说,这些科学家们真会玩!

在现代实验室中打造一把大马士革刀

不羡连城璧,但求夺命刀。连中科院纳米研究中心都在想办法复原大马士革刀,看来大马士革刀的粉丝不止我们这些刀迷和手工爱好者,连科学界也抵挡不了绝世宝刀的诱惑。

据纳米研究中心杨怀超博士介绍,最早尝试用3D打印技术复制大马士革刀的是一群德国科学家。这些科学家希望用最前沿的网红技术模拟大马士革钢的内部结构,制作一块兼具硬度和韧性的“绝世刀坯”。

大马士革钢原产于中亚的波斯地区,它是用印度出产的乌兹钢(一种经过坩埚冶炼,内部均匀分布着许多高硬度晶体的高碳钢)经过特殊工艺锻造而成。它的绝妙之处在于,同一块钢坯由软硬不同的两种或者更多成分构成,这些成分有规则地逐层堆叠,一层硬,一层软,最终打造出的大马士革刀兼具硬度和韧性并能保持刃口长久锋利。

科学家根据这个思路,用3D打印完成金属逐层堆叠的过程,在现代实验室中模拟出一把“古法大马士革刀”,并将研究结果发表在《自然》杂志上。《自然》杂志创刊于1869年,是世界上最有名望的科学杂志之一。

物理学家揭示大马士革刀的微观秘密

现代材料科学告诉我们,金属内部肉眼不可见的微量成分及其排列方式,决定着大马士革刀的命运。

我们平时接触到的各种材料,无一例外是由一个一个的原子构成。原子之间结合的紧密程度,决定着材料的硬度、韧性、耐腐蚀性以及光泽等等性能和特征。在钢铁中添加各种微量元素是现代制钢的一项重要手段。

通常来说,钢的硬度主要决定于其中的碳元素。在纯铁中,铁原子呈面心立方或体心立方排列,质地非常柔软。在加入碳之后,碳和铁会结合成金属化合物碳化铁(Fe3C)。铁和碳之间的结合力要远远高于铁原子之间的结合力,碳就像502胶一样把铁原子牢牢地粘在一起,因此随着碳含量的提高,钢的硬度会大幅增加。

我们仔细观察大马士革刀,其表面如盘龙云海一样银黑花纹,就是不同碳含量的材料紧密结合形成的。透过这些花纹,很容易让人联想到百炼钢与绕指柔,也就是我们常说的刚柔并济。

大马士革刀上呈现的黑色花纹就是含碳量较低的珠光体,它的韧性非常好,但是硬度不高。银色花纹是含碳量较高的渗碳体,它硬度非常高,但是韧性极低。单纯用珠光体制成的刀具硬度很低,钝到削纸都费劲。而单纯用渗碳体制作的刀具又会非常脆,遇到较强的冲击就容易断裂。把两者结合在一起,就可以兼具硬度、锋利度和韧性,刚柔并济,所向披靡。

古代工匠虽然对微量元素没有具体的概念,但是凭借经验很早就认识到软硬结合可以达到刚柔并济的道理。他们通过各种各样的铸造以及锻造工艺,付出大量的劳动,调整软硬材料的配比以及结合方式,不断追求更加卓越的刀剑性能。可以这样说,大马士革刀上的每一道花纹都凝聚着工匠们的心血与汗水。

3D打印能否还原大马士革刀

3D打印是一种逐层制造的技术,又称增材制造技术。通俗来讲,3D打印的制造过程是一层一层往上加材料。而传统的制造过程是一点一点往下减材料,例如传统的车、铣、刨、磨等等,都是在对材料做减法。

用增材制造技术可以轻而易举地制造出一些结构极其复杂的物件。因为无论想要制造的物件结构多么复杂,只要把它拆解成一片一片的,将数据输入到计算机,就可以用计算机控制熔融状的材料一层一层往上堆,然后再冷却固化就可以了。

最早尝试用3D打印还原大马士革刀的是德国马普所的一群科学家。马普所的全称是马克斯·普朗克协会,它以量子论创建者马克斯·普朗克命名,其前身叫做威廉皇帝协会,相当于德国的中科院。

马普所的科学家通过激光控制熔融金属,喷涂出了类似古代大马士革钢的微结构。激光用来加热金属,并且可以实现准确升温和降温,就如同古代工匠的精巧的手工工艺被精密的机器所取代。

科学家制造出来的大马士革刀有着与传统折叠锻打大马士革刀相似的漂亮花纹,它的机械性能也不输于手工锻造的大马士革刀。

现代材料科学的起点:复制大马士革刀

其实早在中科院纳米研究中心和德国马普所之前300多年,科学界就已经表现出对大马士革钢这种奇妙金属的浓厚兴趣,其中一些科学家的名望和成就甚至连中科院与马普所都望尘莫及。

我们把时间推回到18世纪晚期的欧洲。英国皇家学会会员皮尔森对大马士革钢发生兴趣,研究了从印度孟买运来的一些蛋糕形状的钢锭,并于1795年在英国皇家学会作了一个报告,第一次认识到这是一种钢而不是铁,并且首次使用了“乌兹”(wootz)这个名词。但是乌兹钢表面并没有大马士革刀所特有的花纹,皮尔森也没能破解乌兹钢如何变身为大马士革钢的秘密。1804年,冶金学家穆舍特的论文详细描述了乌兹钢的外观,指出它硬度如此之高,因为是高碳钢的缘故。

1818年,著名的刀具生产商斯托达特搞到了一块乌兹钢,交给他的助手法拉第。法拉第检查了这种钢中是否含有铁与碳以外的元素,同时也分析了一块英国本地产的钢样品作为对比实验。然后,他试图在实验室中通过给钢加入微量元素来复制这种乌兹钢,但是失败了。在他发表于1819年的文章中,也没有提到如何把乌兹钢打造成大马士革花纹钢刀。

法拉第在实验室里建造了一个简易的炼钢炉,把英国本地钢在炼钢炉中熔化,然后依次加入金银铂镍铬等各种微量元素,再对得到的钢铁样本做性能测试,希望通过这种方式得到乌兹钢的配方。后来法拉第把实验报告连同炼制出的几十块样本一起提交给了英国皇家学会。

虽然法拉第没能替他的老板复制出大马士革刀,但却误打误撞地开启了科学界对于合金钢的研究。铁匠之子法拉第也因此被誉为世界“合金钢之父”。后来法拉第的研究兴趣转移到铁磁性方面,开创了电磁学研究领域,成为世界著名的科学家。

1820年,斯托达特和法拉第联合发表了一篇关于合金钢的文章,这是第一篇将乌兹钢和大马士革花纹钢联系起来的论文,但是论文里只是提到了用乌兹钢可以制成大马士革刀(剑),却忽略了大马士革刀最重要的锻造过程和层叠特征。法拉第对乌兹钢可以直接产生大马士革花纹的假定,导致了后世对于乌兹钢的重大误解,以为只要用乌兹钢简单打磨就能制成带有漂亮花纹的大马士革刀,这种误解一直持续到了今天。

阿诺索夫是19世纪俄罗斯著名的冶金学家, 他利用金相显微镜研究中亚生产的布拉特钢,并在其与大马士革刀花纹关系的基础上,于1840年左右宣称复制出了大马士革刀。但是阿诺索夫的技艺似乎由于原始实验研究文献缺失而失传。

整个20世纪,仍有许多科学家孜孜不倦地进行大马士革刀之谜的研究,或许这也是科学界对绝世宝刀的一种情怀。正如美国著名材料学家史密斯所指出,从18世纪开始的对大马士革刀花纹机理的研究,促进了材料的制备与加工从简单走向科学,催生出金相学的诞生,并进而发展成了现代材料科学。


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