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首页 > 资讯中心科(kē)學(xué)家用(yòng)青岛3D打印制造大马士革刀(dāo)
发布时间：2021-12-03
浏览人次：670次
用(yòng)3D打印技术制造大马士革刀(dāo)？据介绍，科(kē)學(xué)家已经破解了大马士革刀(dāo)性能(néng)卓越的奥秘，并用(yòng)3D打印机模拟大马士革刀(dāo)的内部结构，成功“复制”出了大马士革刀(dāo)。
用(yòng)最前沿的网红科(kē)技模拟古法打造刀(dāo)具……让我们这些仍然坚持在用(yòng)传统工艺手工做刀(dāo)的刀(dāo)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(kē)學(xué)家们真会玩！
在现代实验室中打造一把大马士革刀(dāo)
不羡连城璧，但求夺命刀(dāo)。连中科(kē)院纳米研究中心都在想办法复原大马士革刀(dāo)，看来大马士革刀(dāo)的粉丝不止我们这些刀(dāo)迷和手工爱好者，连科(kē)學(xué)界也抵挡不了绝世宝刀(dāo)的诱惑。
最早尝试用(yòng)3D打印技术复制大马士革刀(dāo)的是一群德國(guó)科(kē)學(xué)家。这些科(kē)學(xué)家希望用(yòng)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(dāo)坯”。
大马士革钢原产于中亚的波斯地區(qū)，它是用(yòng)印度出产的乌兹钢（一种经过坩埚冶炼，内部均匀分(fēn)布着许多(duō)高硬度晶體(tǐ)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(duō)成分(fēn)构成，这些成分(fēn)有(yǒu)规则地逐层堆叠，一层硬，一层软，最终打造出的大马士革刀(dāo)兼具硬度和韧性并能(néng)保持刃口長(cháng)久锋利。
科(kē)學(xué)家根据这个思路，用(yòng)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(dāo)”，并将研究结果发表在《自然》杂志(zhì)上。《自然》杂志(zhì)创刊于1869年，是世界上最有(yǒu)名望的科(kē)學(xué)杂志(zhì)之一。
物(wù)理(lǐ)學(xué)家揭示大马士革刀(dāo)的微观秘密
现代材料科(kē)學(xué)告诉我们，金属内部肉眼不可(kě)见的微量成分(fēn)及其排列方式，决定着大马士革刀(dāo)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(néng)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體(tǐ)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(wù)碳化铁（Fe3C）。铁和碳之间的结合力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dāo)，其表面如盘龙云海一样银黑花(huā)纹，就是不同碳含量的材料紧密结合形成的。透过这些花(huā)纹，很(hěn)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(dāo)上呈现的黑色花(huā)纹就是含碳量较低的珠光體(tǐ)，它的韧性非常好，但是硬度不高。银色花(huā)纹是含碳量较高的渗碳體(tǐ)，它硬度非常高，但是韧性极低。单纯用(yòng)珠光體(tǐ)制成的刀(dāo)具硬度很(hěn)低，钝到削纸都费劲。而单纯用(yòng)渗碳體(tǐ)制作的刀(dāo)具又(yòu)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(kě)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(yǒu)具體(tǐ)的概念，但是凭借经验很(hěn)早就认识到软硬结合可(kě)以达到刚柔并济的道理(lǐ)。他(tā)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(dāo)剑性能(néng)。可(kě)以这样说，大马士革刀(dāo)上的每一道花(huā)纹都凝聚着工匠们的心血与汗水。
3D打印能(néng)否还原大马士革刀(dāo)
3D打印是一种逐层制造的技术，又(yòu)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，例如传统的車(chē)、铣、刨、磨等等，都是在对材料做减法。
用(yòng)增材制造技术可(kě)以轻而易举地制造出一些结构极其复杂的物(wù)件。因為(wèi)无论想要制造的物(wù)件结构多(duō)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(kě)以用(yòng)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(kě)以了。
最早尝试用(yòng)3D打印还原大马士革刀(dāo)的是德國(guó)马普所的一群科(kē)學(xué)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，相当于德國(guó)的中科(kē)院。
马普所的科(kē)學(xué)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(yòng)来加热金属，并且可(kě)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(kē)學(xué)家制造出来的大马士革刀(dāo)有(yǒu)着与传统折叠锻打大马士革刀(dāo)相似的漂亮花(huā)纹，它的机械性能(néng)也不输于手工锻造的大马士革刀(dāo)。
现代材料科(kē)學(xué)的起点：复制大马士革刀(dāo)
其实早在中科(kē)院纳米研究中心和德國(guó)马普所之前300多(duō)年，科(kē)學(xué)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(kē)學(xué)家的名望和成就甚至连中科(kē)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。英國(guó)皇家學(xué)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年在英國(guó)皇家學(xué)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(yòng)了“乌兹”（wootz）这个名词。但是乌兹钢表面并没有(yǒu)大马士革刀(dāo)所特有(yǒu)的花(huā)纹，皮尔森也没能(néng)破解乌兹钢如何变身為(wèi)大马士革钢的秘密。1804年，冶金學(xué)家穆舍特的论文(wén)详细描述了乌兹钢的外观，指出它硬度如此之高，因為(wèi)是高碳钢的缘故。
1818年，著名的刀(dāo)具生产商(shāng)斯托达特搞到了一块乌兹钢，交给他(tā)的助手法拉第。法拉第检查了这种钢中是否含有(yǒu)铁与碳以外的元素，同时也分(fēn)析了一块英國(guó)本地产的钢样品作為(wèi)对比实验。然后，他(tā)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(tā)发表于1819年的文(wén)章中，也没有(yǒu)提到如何把乌兹钢打造成大马士革花(huā)纹钢刀(dāo)。
法拉第在实验室里建造了一个简易的炼钢炉，把英國(guó)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(néng)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國(guó)皇家學(xué)会。
虽然法拉第没能(néng)替他(tā)的老板复制出大马士革刀(dāo)，但却误打误撞地开启了科(kē)學(xué)界对于合金钢的研究。铁匠之子法拉第也因此被誉為(wèi)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，开创了電(diàn)磁學(xué)研究领域，成為(wèi)世界著名的科(kē)學(xué)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(wén)章，这是第一篇将乌兹钢和大马士革花(huā)纹钢联系起来的论文(wén)，但是论文(wén)里只是提到了用(yòng)乌兹钢可(kě)以制成大马士革刀(dāo)（剑），却忽略了大马士革刀(dāo)最重要的锻造过程和层叠特征。法拉第对乌兹钢可(kě)以直接产生大马士革花(huā)纹的假定，导致了后世对于乌兹钢的重大误解，以為(wèi)只要用(yòng)乌兹钢简单打磨就能(néng)制成带有(yǒu)漂亮花(huā)纹的大马士革刀(dāo)，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學(xué)家， 他(tā)利用(yòng)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(dāo)花(huā)纹关系的基础上，于1840年左右宣称复制出了大马士革刀(dāo)。但是阿诺索夫的技艺似乎由于原始实验研究文(wén)献缺失而失传。
整个20世纪，仍有(yǒu)许多(duō)科(kē)學(xué)家孜孜不倦地进行大马士革刀(dāo)之谜的研究，或许这也是科(kē)學(xué)界对绝世宝刀(dāo)的一种情怀。正如美國(guó)著名材料學(xué)家史密斯所指出，从18世纪开始的对大马士革刀(dāo)花(huā)纹机理(lǐ)的研究，促进了材料的制备与加工从简单走向科(kē)學(xué)，催生出金相學(xué)的诞生，并进而发展成了现代材料科(kē)學(xué)。
用(yòng)最前沿的网红科(kē)技模拟古法打造刀(dāo)具……让我们这些仍然坚持在用(yòng)传统工艺手工做刀(dāo)的刀(dāo)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(kē)學(xué)家们真会玩！
在现代实验室中打造一把大马士革刀(dāo)
不羡连城璧，但求夺命刀(dāo)。连中科(kē)院纳米研究中心都在想办法复原大马士革刀(dāo)，看来大马士革刀(dāo)的粉丝不止我们这些刀(dāo)迷和手工爱好者，连科(kē)學(xué)界也抵挡不了绝世宝刀(dāo)的诱惑。
最早尝试用(yòng)3D打印技术复制大马士革刀(dāo)的是一群德國(guó)科(kē)學(xué)家。这些科(kē)學(xué)家希望用(yòng)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(dāo)坯”。
大马士革钢原产于中亚的波斯地區(qū)，它是用(yòng)印度出产的乌兹钢（一种经过坩埚冶炼，内部均匀分(fēn)布着许多(duō)高硬度晶體(tǐ)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(duō)成分(fēn)构成，这些成分(fēn)有(yǒu)规则地逐层堆叠，一层硬，一层软，最终打造出的大马士革刀(dāo)兼具硬度和韧性并能(néng)保持刃口長(cháng)久锋利。
科(kē)學(xué)家根据这个思路，用(yòng)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(dāo)”，并将研究结果发表在《自然》杂志(zhì)上。《自然》杂志(zhì)创刊于1869年，是世界上最有(yǒu)名望的科(kē)學(xué)杂志(zhì)之一。
物(wù)理(lǐ)學(xué)家揭示大马士革刀(dāo)的微观秘密
现代材料科(kē)學(xué)告诉我们，金属内部肉眼不可(kě)见的微量成分(fēn)及其排列方式，决定着大马士革刀(dāo)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(néng)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體(tǐ)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(wù)碳化铁（Fe3C）。铁和碳之间的结合力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dāo)，其表面如盘龙云海一样银黑花(huā)纹，就是不同碳含量的材料紧密结合形成的。透过这些花(huā)纹，很(hěn)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(dāo)上呈现的黑色花(huā)纹就是含碳量较低的珠光體(tǐ)，它的韧性非常好，但是硬度不高。银色花(huā)纹是含碳量较高的渗碳體(tǐ)，它硬度非常高，但是韧性极低。单纯用(yòng)珠光體(tǐ)制成的刀(dāo)具硬度很(hěn)低，钝到削纸都费劲。而单纯用(yòng)渗碳體(tǐ)制作的刀(dāo)具又(yòu)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(kě)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(yǒu)具體(tǐ)的概念，但是凭借经验很(hěn)早就认识到软硬结合可(kě)以达到刚柔并济的道理(lǐ)。他(tā)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(dāo)剑性能(néng)。可(kě)以这样说，大马士革刀(dāo)上的每一道花(huā)纹都凝聚着工匠们的心血与汗水。
3D打印能(néng)否还原大马士革刀(dāo)
3D打印是一种逐层制造的技术，又(yòu)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，例如传统的車(chē)、铣、刨、磨等等，都是在对材料做减法。
用(yòng)增材制造技术可(kě)以轻而易举地制造出一些结构极其复杂的物(wù)件。因為(wèi)无论想要制造的物(wù)件结构多(duō)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(kě)以用(yòng)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(kě)以了。
最早尝试用(yòng)3D打印还原大马士革刀(dāo)的是德國(guó)马普所的一群科(kē)學(xué)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，相当于德國(guó)的中科(kē)院。
马普所的科(kē)學(xué)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(yòng)来加热金属，并且可(kě)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(kē)學(xué)家制造出来的大马士革刀(dāo)有(yǒu)着与传统折叠锻打大马士革刀(dāo)相似的漂亮花(huā)纹，它的机械性能(néng)也不输于手工锻造的大马士革刀(dāo)。
现代材料科(kē)學(xué)的起点：复制大马士革刀(dāo)
其实早在中科(kē)院纳米研究中心和德國(guó)马普所之前300多(duō)年，科(kē)學(xué)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(kē)學(xué)家的名望和成就甚至连中科(kē)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。英國(guó)皇家學(xué)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年在英國(guó)皇家學(xué)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(yòng)了“乌兹”（wootz）这个名词。但是乌兹钢表面并没有(yǒu)大马士革刀(dāo)所特有(yǒu)的花(huā)纹，皮尔森也没能(néng)破解乌兹钢如何变身為(wèi)大马士革钢的秘密。1804年，冶金學(xué)家穆舍特的论文(wén)详细描述了乌兹钢的外观，指出它硬度如此之高，因為(wèi)是高碳钢的缘故。
1818年，著名的刀(dāo)具生产商(shāng)斯托达特搞到了一块乌兹钢，交给他(tā)的助手法拉第。法拉第检查了这种钢中是否含有(yǒu)铁与碳以外的元素，同时也分(fēn)析了一块英國(guó)本地产的钢样品作為(wèi)对比实验。然后，他(tā)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(tā)发表于1819年的文(wén)章中，也没有(yǒu)提到如何把乌兹钢打造成大马士革花(huā)纹钢刀(dāo)。
法拉第在实验室里建造了一个简易的炼钢炉，把英國(guó)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(néng)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國(guó)皇家學(xué)会。
虽然法拉第没能(néng)替他(tā)的老板复制出大马士革刀(dāo)，但却误打误撞地开启了科(kē)學(xué)界对于合金钢的研究。铁匠之子法拉第也因此被誉為(wèi)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，开创了電(diàn)磁學(xué)研究领域，成為(wèi)世界著名的科(kē)學(xué)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(wén)章，这是第一篇将乌兹钢和大马士革花(huā)纹钢联系起来的论文(wén)，但是论文(wén)里只是提到了用(yòng)乌兹钢可(kě)以制成大马士革刀(dāo)（剑），却忽略了大马士革刀(dāo)最重要的锻造过程和层叠特征。法拉第对乌兹钢可(kě)以直接产生大马士革花(huā)纹的假定，导致了后世对于乌兹钢的重大误解，以為(wèi)只要用(yòng)乌兹钢简单打磨就能(néng)制成带有(yǒu)漂亮花(huā)纹的大马士革刀(dāo)，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學(xué)家， 他(tā)利用(yòng)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(dāo)花(huā)纹关系的基础上，于1840年左右宣称复制出了大马士革刀(dāo)。但是阿诺索夫的技艺似乎由于原始实验研究文(wén)献缺失而失传。
整个20世纪，仍有(yǒu)许多(duō)科(kē)學(xué)家孜孜不倦地进行大马士革刀(dāo)之谜的研究，或许这也是科(kē)學(xué)界对绝世宝刀(dāo)的一种情怀。正如美國(guó)著名材料學(xué)家史密斯所指出，从18世纪开始的对大马士革刀(dāo)花(huā)纹机理(lǐ)的研究，促进了材料的制备与加工从简单走向科(kē)學(xué)，催生出金相學(xué)的诞生，并进而发展成了现代材料科(kē)學(xué)。