隨著越來越多的初創公司獲得資金并在商業聚變能源生產方面取得突破，麻省理工學院博士生亞歷山大·奧布萊恩正在致力于通過金屬陶瓷復合材料增材制造的研究來提供下一代聚變設備。

目前，奧布萊恩在麻省理工學院核科學與工程系（NSE）進行的研究利用增材制造技術，在構建過程中準確定位金屬漩渦中的陶瓷納米顆粒，而這是傳統的成型制造工藝無法做到的。陶瓷基復合材料被認為是包括航空和航天在內的多個先進制造業未來發展的關鍵材料，據報道，賽峰集團和通用電氣航空公司都在噴氣發動機部件上大力投資采用陶瓷基復合材料。AM 是使用這些超先進材料的關鍵推動因素。蓬勃發展的核聚變能源領域也是一個天然的契合點。下一代裂變也是如此。

“隨著新聚變裝置的設計開始啟動，越來越明顯的是，我們一直使用的材料無法承受操作環境中的更高溫度和輻射水平，”奧布萊恩解釋道。增材制造“為金屬的應用開辟了一個全新的可能性領域，這正是您[建造下一代聚變發電廠]所需要的，”他說。

金屬和陶瓷本身可能無法承受高溫(目標是 750 攝氏度)、應力和輻射，但它們組合在一起可能會達到這些目的。奧布萊恩說，盡管這種金屬基復合材料已經存在了幾十年，但它們在反應堆中使用并不切實際，因為它們“很難以任何均勻性制造，而且尺寸確實有限”。

這是因為當你嘗試將陶瓷納米粒子放入熔融金屬池中時，它們會向任意方向掉落。“3D 打印很快就完全改變了這個情況，如果你想在非常特定的區域添加這些納米粒子，你就有能力做到這一點，”奧布萊恩解釋道。

奧布萊恩的工作涉及用陶瓷納米粒子植入金屬，這是他的博士論文和《增材制造》雜志上的一篇研究論文的基礎。最終結果是金屬基復合材料是聚變裝置的理想候選者，特別是真空容器組件，它必須能夠承受高溫、腐蝕性極強的熔鹽和核嬗變產生的內部氦氣。

奧布萊恩的工作重點是 Inconel 718 等鎳高溫合金，它們是特別堅固的候選材料，因為它們可以承受更高的工作溫度，同時保持強度。氦脆是 Inconel 718 的一個問題，即由聚變中子引起的氦氣泡導致脆弱和失效，但復合材料表現出克服這一挑戰的潛力。

為了制造復合材料，首先，通過機械銑削工藝將陶瓷涂覆到金屬顆粒上。陶瓷納米粒子充當增強劑，尤其是在高溫下，并使材料的使用壽命更長。均勻分散時，納米顆粒還會吸收氦氣和輻射缺陷，從而防止這些損傷劑全部到達晶界。

然后，該復合材料在市場領導者 EOS 的系統上進行激光粉末床熔融 (L-PBF) 工藝。“通過用陶瓷涂覆這些顆粒，然后僅熔化非常特定的區域，我們可以將陶瓷保留在我們想要的區域，然后就可以構建并具有均勻的結構，”奧布萊恩說。

核材料的 3D 打印展現出了如此大的前景，以至于奧布萊恩在博士研究結束后正在考慮追求這一前景。“這些金屬基復合材料的概念以及它們如何增強材料性能非常有趣，”他說。他正在考慮通過一家初創公司擴大其商業規模。