世界首个3D打印超高真空室，1E-10mbar稳定运行，重量减轻70%！

我们知道，增材制造对很多领域的研究和工业生产都产生了巨大影响，但迄今为止，用增材制造的方法生产超高真空系统已经被证明难以实现，并且普遍认为是不可能实现的。2021年4月，在学术期刊AdditiveManufacturing发表的一篇论文中，成功造出了全世界第一个用增材制造方法实现的超高真空室，能够在低于10-10mbar的压力下工作，而且增材制造材料的总放气不超过3.6×10-13mbar l/(s mm2)。真空室是用AlSi10Mg材料，通过激光粉末床熔融技术生产的。详细的表面分析显示，在增材制造的材料上形成了氧化的、富镁的表面层，这个表面层在实现达到超高真空方面发挥了关键作用。
证明了增材制造（AM）适用于超高真空（UHV）设备的生产，从而为整个高真空和超高真空领域的快速成型、减重和增强功能等打开了机会之门。
超高真空系统的应用非常广，从已有的技术，如光电传感器、照相机、低温杜瓦、电子显微镜和X射线光电子能谱分析仪，到重要的新兴研究领域，比如基于冷原子的便携式量子传感器，无不应用了超高真空。AM可以促进上述所有领域的基础研究和技术发展，因为该技术可以大大减小相关UHV设备的尺寸，减轻重量，缩短开发周期。比如这篇论文所研发的UHV腔室是通过激光粉末床熔融（POBF）技术，用AlSi10Mg材料进行制造的，重量仅为245克，比同等标准的真空室减轻了70%。这种级别的减重对于促进UHV的天基应用至关紧要，例如使用星载量子传感器对基础物理学进行试验研究。
然而，尽管最近在金属的AM加工方面取得了一些进展，但是尚没有人用AM技术制造出一个完整的UHV腔室。让UHV腔室获得优异性能的挑战在于：表面粗糙度、孔隙率和极限硬度（limitedhardness）。表面粗糙可导致放气率增加，孔隙率较大可能会产生泄漏或因存在“死空间”而导致虚漏，而极限硬度不够则会降低真空连接处刀口密封的有效性。

图1  用增材制造方法打造的超高真空室 （a）实物照片；（b）被磁光阱捕获的85RB冷原子云的荧光图像。原子云的直径约为10毫米。

AM金属的这些特性，使得研究者怀疑它究竟是否适合用来制造UHV部件。与钛合不锈钢等金属相比，AlSi10Mg合金具有更高的导热系数，这可能会有助于提高3D打印时的一致性，并减少构建缺陷。在本篇论文中，研究人员利用光学和电子显微镜、质谱分析和X射线光电子能谱分析等，对增材制造AlSi10Mg的表面进行了详细分析。分析表明，这种AM材料表面的严重氧化、富镁的表面层，很好地抑制了材料的放气。因此，这种真空室很容易就能维持低于10-10mbar的压力。
如上图1（b）所示，这种真空性能足以使磁光阱（MOT）捕获85RB的冷原子云。MOT是几乎所有基于冷原子的实验和装置的基础，其中包括用于精确计时的原子钟，应用于地质学、导航和土木工程的高精度重力计，以及用于导航和医学成像的冷原子磁力计。AM方法在UHV设备上的应用，将使这一重要的新兴领域获益匪浅。
前景广阔
用AM方法制造了一个能够在低于10-10mbar的压力下工作的超高真空腔室，经过几个月的运行，没有观察到腔室性能有所降低。作者认为，将AM方法引入UHV设备领域，具有巨大的潜力，可以减小现有系统的尺寸和材料消耗，减小重量，并且能实现具有更多功能的新型便携式系统。此外，用AM还可制造出高比表面的元素，以提高相关真空泵装置的效率，比如钛升华泵。而且研究表面层镁富集的成因机制也可能很有意义。这项研究也可能有助于进一步增加超高真空系统用AM方法制造的选项。