失传近300年的“绝世好钢”重出江湖！科学家3D打印出大马士革钢

来源：十点科学

作者：纳米质料博士 杨怀超

编辑：龙浩高佩雯

不求连城璧，只求伤人剑。一把称手武器是古代大侠标配。这种陈腐的工具，现在和最新科技联合到了一起。

最近，来自德国的科学家，用3D打印技能造出了一坨“绝世钢坯”，灵感来自18世纪之前的古法制钢工艺——大马士革钢。这种源于古印度的秘技，可以将铁铸成兼具硬度和韧性的好钢，在其时的冷武器期间被奉为神器。

而它的秘诀，就在于差别身分钢铁的逐层堆叠，一层硬、一层韧，终极造出的武器可长期保持刃口尖锐。3D打印追随这个思绪，直接生产出了失传已久的大马士革钢！

研究详情发表在6月24日的《自然》杂志。

名动江湖的古法制钢

中国古代有越王勾践剑，英格兰有石中剑和断钢剑，日本有天丛云剑，而伊斯兰国度，有令欧洲人羡而不得的大马士革钢刀剑。

这种来自东方的神奇质料，传说曾让12世纪东征穆斯林的英国十字军望而生畏，并热烈追逐。在13世纪让埃及的马穆鲁克骑兵以少胜多，击退超二倍蒙古兵。拿破仑曾评价：“法国步兵配上马穆鲁克骑兵天下无敌。”

但是这统统在18世纪竣事。法国远征的火炮打败了这些在中世纪依附骏马宝刀战无不胜的东方勇士。大马士革钢原产地印度也被英国人侵占，铸造技能在18世纪中叶神秘失传。

据早前《自然》杂志一项研究推测，技能失传很可能是由于铸造大马士革钢的原质料身分产生了变化，矿石中的一种或数种微量身分消散了。原来用于取材的矿脉被采尽，铁匠们凭眼睛无法察觉如许的变化，但是再也造不出之前的大马士革钢了。

“点石成金”的微身分

为什么肉眼不可见的微量身分，就能决定大马士革钢的运气？这从现代科学来讲，很好解释。

我们一样平常所见的质料，无一不是由一个个原子组成。原子之间联合的精密水平，决定了质料的硬度、韧性和光泽，等等。现代制钢也经常会为了得到特定性能，添加一些分外身分。

在钢材中，用来调治硬度的通常是碳元素。在纯铁中，铁原子呈面心立方或体心立方分列，质地十分柔软。但加入碳之后，碳和铁会联合形成金属化合物碳化铁（Fe3C）。由于铁和碳之间结协力远高于铁原子之间结协力，以是硬度会大为增强。

细看大马士革钢，会发明其外貌有着如云海一般梦幻的银黑斑纹。这些斑纹就是碳含量差别所致。也生动体现了什么叫刚柔联合。

其中玄色斑纹就是含碳量较低（0.8%）的珠光体（现代炼钢也这么叫）。它韧性非常好，但是硬度不高，也就是软。银色斑纹是含碳量较高（6.7%）的渗碳体，它硬度要高得多，然而韧性险些为零，也就是脆。

这两种身分单独做刀剑，都帅不外三秒，但是联合在一起，却是尖锐度和韧性兼具，所向披靡。

昔人是怎样做到这种精细调控的，很难得知，无外乎重复锻打和升降温。我国越王勾践剑和日本刀剑，用的也都是这种刚柔联合的结构设计。它们代表古法冶金的岑岭。

3D打印行不可

3D打印是比年被热炒的网红技能，一度被称为“第四次工业革命”，重复被资本热捧，又被冷落，待遇恰似过山车。但它确实有传统制造技能难以企及的利益。

和传统技能差别，它是一种逐层制造技能，又称增材制造技能。字面意思，就是制造历程中质料是往上加的。而传统的减材制造技能，如车、铣、刨、磨等，质料是往下减的。

这使得它可以或许轻而易举地制造一些具有庞大结构的物件。由于使用增材技能，无论何等庞大的模子，只要将它“拆解”成薄片，使用计算机控制，将熔融状的质料（或其他可以举行薄片成型的质料）一层一层往上堆，就可以做出来。

好比下面这对棋子，国际象棋的王和后。左边的形状相对简朴，用传统减材技能，拿两根圆柱用车床沿着外轮廓划一圈，就算完事。但右边的那一对，就难办了。除非大神级工匠，一般人做不出来，造价也会相当昂贵。

但用3D打印技能，代价就很公正了。由于只要把熔融的质料从底部开始，一层一层往上涂抹，再冷却固化，就可以完成。成本和打印一对简朴的棋子相差不多。

这种不受庞大度限定、极其机动的制造方式，极大拓展了设计师的思绪。从观赏性的模子，到工业应用，不一而足。近期风靡的“神笔马良”，就让不少人大开眼界。

但琳琅满目的设计，也让人产生了审美疲劳。既然3D打印云云简朴，那打印出多庞大的结构，都屡见不鲜。

但万万没想到，科学家将这种特性，延伸到了质料性能调控领域，为3D打印赋予了全新想象空间。

用网红技能打印古法钢坯

在该新研究中，来自德国马普所的科学家，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，而且可以实现准确升温和降温，就像古代工匠的伎俩被精密的呆板取代。

实验得到了漂亮的斑纹，说明做出的钢坯确实有大马士革钢的“味道”。而且，它的机械性能比传说中的大马士革钢还要好。

这块钢具有1300MPa的拉伸强度和10%的伸长率。MPa是个压强单元，相当于10个大气压。以是这块钢的拉伸强度到达1.3万个大气压。

一般平凡钢筋的拉伸强度在370~630MPa之间，这块钢的抗拉能力是平凡钢材的2~3倍。根据平凡成年男子极限硬拉力70kg计算，如果想把一根8毫米直径的3D打印钢筋拉断，约莫需要95位男士齐上阵。

如果怕站不下，还可以换成世界第一鼎力大举士，只需要14位就够了。但是如许的鼎力大举士，地球上只有一位。

实在，不仅仅是钢质料，钛合金也可以通过3D打印形成精细结构，使得其抗弯强度提高25%。

固然，这是另外一项研究，时间更早一些，其时也曾引起惊动。美国因此做倒闭了好几家公司，厥后我国王华明教授做了出来，并因此评上了院士。

仰赖精准的数字化控制，3D打印不仅能提高钢材机械性能，其强盛的微结构控制能力，也已被应用于更多领域。甚至由于不消做庞大的金属热处置惩罚，在其他领域早已大放异彩。

比方，利用3D打印加工的光子晶体，可以对某些特定的光举行吸收，以及提高二极管的发光效率，未来还可以用在智能皮肤上，这种皮肤可以像变色龙一样，随着情况而改变颜色。

利用3D打印技能还可以直接在直径不到200μm（约为头发丝粗细）的光纤顶端制造内窥镜，精密水平叹为观止。

别的，它还可以应用到生物仿真领域，好比，利用3D打印技能模拟麦芒的结构，实现高效的雾水网络，有望应用于液滴传输、药物运输、细胞牵引、海水淡化等科学技能领域。

另有3D打印的微流体芯片，可以实现低成本的快速微生物或者细胞检测。

在科技领域，可以说，3D打印一直都是热门。