【產(chǎn)通社，12月15日訊】南方科技大學(xué)（Southern University of Science and Technology, SUSTech）官網(wǎng)消息，其機(jī)械與能源工程系講席教授朱強(qiáng)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士團(tuán)隊(duì)提出材料-結(jié)構(gòu)-功能一體化增材制造策略，采用激光粉末床熔融（L-PBF）技術(shù)制備先進(jìn)鋁基超材料。相關(guān)成果以題為“Bio-inspired material-structure-function integrated additive manufacturing of Al-based metamaterials with surpassing energy absorption”發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Science Advances上。

增材制造（3D打�。┳鳛榧舛瞬牧铣尚喂に�，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件快速成型與高性能合金設(shè)計(jì)開發(fā)提供了全新可能。其中，增材制造力學(xué)超材料因卓越的物理與力學(xué)性能，受到學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的廣泛關(guān)注。然而，傳統(tǒng)超材料常面臨輕質(zhì)與強(qiáng)度難以兼顧、吸能穩(wěn)定性不足的挑戰(zhàn)，這對其在多場景工程應(yīng)用方面形成制約。

研究團(tuán)隊(duì)通過仿珊瑚真菌異質(zhì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化鋁合金雙模態(tài)微觀組織，并以英雄鼩鼱（Hero Shrew）脊柱為結(jié)構(gòu)原型，協(xié)同材料異質(zhì)性與結(jié)構(gòu)層級化特征，實(shí)現(xiàn)多級能量耗散。所研制超材料表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能：密度僅為0.91±0.01 g/cm3，相對屈服強(qiáng)度達(dá)17.0±0.7%，比能量吸收值創(chuàng)39.1±0.7J/g（提高約1倍）的紀(jì)錄，顯著優(yōu)于現(xiàn)有鋁基及多數(shù)金屬超材料。這一簡潔的設(shè)計(jì)理念拓展了輕質(zhì)超材料的設(shè)計(jì)維度，展示了跨尺度協(xié)調(diào)機(jī)制的可擴(kuò)展策略，為可持續(xù)工程應(yīng)用中抗沖擊、輕量化部件的開發(fā)提供了新范式。 

力學(xué)超材料，亦稱晶格超材料，是通過靈活設(shè)計(jì)在從微觀到宏觀尺度呈現(xiàn)特殊性能的結(jié)構(gòu)，這些性能包括高強(qiáng)度、高剛度、高韌性、超彈性及高效能量吸收等。金屬增材制造（尤其是L-PBF技術(shù)）的“逐層成形”特性，為超材料的“材料-結(jié)構(gòu)”協(xié)同優(yōu)化提供了一定的設(shè)計(jì)自由度，但當(dāng)前研究仍存在兩大瓶頸：一是材料層面，目前運(yùn)用最廣泛的傳統(tǒng)Al-Si系合金（如AlSi10Mg）力學(xué)性能有限，而高強(qiáng)鋁合金易因L-PBF極端凝固條件產(chǎn)生熱裂紋；二是結(jié)構(gòu)層面，多數(shù)超材料的性能通常是“材料”或“結(jié)構(gòu)”單一維度分別優(yōu)化的結(jié)果，未能實(shí)現(xiàn)跨尺度性能協(xié)同，導(dǎo)致應(yīng)力平臺波動大、能量吸收效率相對較低。因此，如何能以更加簡潔高效的方式實(shí)現(xiàn)材料、結(jié)構(gòu)與工藝的協(xié)同整合仍面臨較大挑戰(zhàn)，相關(guān)研究具有重要的理論意義與實(shí)用價(jià)值。

為突破這些局限，本研究創(chuàng)新提出協(xié)同路徑，將具有優(yōu)異力學(xué)性能的輕質(zhì)材料與優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相融合，為超材料性能帶來新的突破性。研究團(tuán)隊(duì)通過采用具有異質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的定制化低成本低密度高強(qiáng)度高塑性鋁合金，精確打印出具有高設(shè)計(jì)自由度的仿生抗損傷超材料。團(tuán)隊(duì)以自然界生物為創(chuàng)新靈感來源，開發(fā)出高性能超材料。

在材料設(shè)計(jì)（仿生珊瑚真菌）方面，借鑒珊瑚真菌系統(tǒng)的“熔池狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)”（邊界等軸晶+內(nèi)部柱狀晶），針對增材制造工藝，研發(fā)高性能合金。通過添加Zr元素，誘導(dǎo)L1?型Al?Zr納米顆粒析出，該顆粒與鋁基體形成共格界面，既通過異質(zhì)形核實(shí)現(xiàn)“超細(xì)等軸晶-柱狀晶”雙模態(tài)晶粒分布，又能夠抑制L-PBF過程中的熱裂紋。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該低成本鋁合金密度僅約2.7g/cm3，拉伸強(qiáng)度達(dá)360-370MPa，延伸率為17-18%，可為超材料提供優(yōu)質(zhì)材料基底。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（仿生英雄鼩鼱）方面，以英雄鼩鼱為仿生原型。該哺乳動物體重僅500g，卻能承受約60kg載荷（相當(dāng)于成年人體重），其側(cè)向拱形、軸向緊湊的脊柱結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)高效應(yīng)力分散。基于該結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)出具備“脊柱曲率”“縱向窄-寬-窄分布”的超結(jié)構(gòu)。通過調(diào)控形狀因子（S）與厚度因子（T），實(shí)現(xiàn)65%-85%孔隙率與力學(xué)性能的可編程調(diào)控。研究表明，相較于傳統(tǒng)簡單立方（Simple Cubic，SC）超材料易發(fā)生的“剪切帶失效”，該仿生結(jié)構(gòu)可通過優(yōu)化形狀因子轉(zhuǎn)為“逐層失效”，顯著提升應(yīng)力平臺穩(wěn)定性。

在力學(xué)性能方面，多尺度表征與力學(xué)測試證實(shí)了該創(chuàng)新策略的有效性：微觀層面，雙模態(tài)晶粒分布的異質(zhì)結(jié)構(gòu)、高密度彌散分布的二次L1?型Al?Zr納米顆粒（直徑約3.4nm）及亞微米胞狀結(jié)構(gòu)（厚度約50nm）形成協(xié)同強(qiáng)化效應(yīng)，提升材料本征抗變形能力；介觀層面，仿生結(jié)構(gòu)使應(yīng)力集中從“節(jié)點(diǎn)-支柱連接處”轉(zhuǎn)移至“頂點(diǎn)”，促進(jìn)層間孔洞有序閉合，實(shí)現(xiàn)早期加工硬化；宏觀層面，該超材料比能量吸收達(dá)39.1±0.7J/g，遠(yuǎn)超現(xiàn)有鋁基超材料（約18J/g），且優(yōu)于鈦合金超材料，同時(shí)實(shí)現(xiàn) 17.0±0.7%相對屈服強(qiáng)度與0.91±0.01g/cm3超輕密度的兼顧。 
圖5.本研究的鋁基超材料的力學(xué)性能 

在工程應(yīng)用驗(yàn)證中，團(tuán)隊(duì)基于該超材料3D打印出汽車碰撞吸能盒（150×85×162mm3），與傳統(tǒng)某商用6061鋁合金吸能盒相比，能量吸收效率提升194.7%，屈服強(qiáng)度提升411.6%。此外，該超材料在航天器著陸緩沖、深海探測器外殼等場景也展現(xiàn)出潛力，可通過參數(shù)優(yōu)化適配不同抗沖擊、輕量化需求。 

南方科技大學(xué)碩士生賀喜為第一作者，香港城市大學(xué)博士后李干（原南方科技大學(xué)與香港城市大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士）、南昌大學(xué)教授張磊、北京科技大學(xué)講師黃禹赫（原南方科技大學(xué)博士后）為論文共同第一作者。南方科技大學(xué)為論文第一單位。朱強(qiáng)與呂堅(jiān)為論文通訊作者。查詢進(jìn)一步信息，請?jiān)L問官方網(wǎng)站http://newshub.sustech.edu.cn。（Robin Zhang，產(chǎn)通數(shù)造）    （完）