科学家研发钛合金超材料，实现结构功能一体化质的飞跃，或可用于航空航天和新能源生产

“这种超材料表现出卓越的结构效率和多功能性，可能会推动轻质高强多功能金属超材料新时代的到来，”对于澳大利亚皇家墨尔本理工大学杰出教授和团队的新成果，评审专家这样评价。

图 | 马前（来源：）

研究中，团队设计和制备出一款 Ti-6Al-4V 多拓朴结构的轻质、高强机械超材料（低密度和高屈服强度）。该材料因同时继承 Ti-6Al-4V 合金良好的耐热性、出色的耐腐蚀性和生物相容性，从而有望被用于多个领域。

例如：

其一，可用于高速飞行器热保护系统的夹心结构。当使用高温钛合金制备时，甚至能在接近 600°C 的温度之下使用。若该结构用高温镍基合金制备，还有望在更高的温度下使用（例如接近 900°C）。

其二，凭借其轻质、高强、耐腐、耐热的独特的综合性能优势，也可用于制造钛无人机，从而用于近距离监测、或用于扑灭丛林火灾和工业火灾，或用于制备飞行器中的舵翼结构件。

其三，还可用作骨植入材料，用于制备各类护理设备或协助设备，以及打造各类轻质结构件。

其四，通过进一步优化结构，有望在保持足够强度的前提之下，将其密度进一步降低到接近 1.0g/cm³ 左右，从而开启类似水一样轻的轻质、高强、耐腐、耐热钛合金的应用。

日前，相关论文以《具有卓越强度的钛多拓扑超材料》（）为题发表在 Advanced Materials[5]，乔丹·诺尼亚（Jordan Noronha）是第一作者，为通讯作者。

图丨相关论文（来源：Advanced Materials）

地球：运行将近 46 亿年的材料系统

事实上，地球上的自然界是一个运行了将近 46 亿年的系统，集材料设计、材料合成、材料制备、自我进化于一体。

自然界中的“产品”，大多具备环境友好性、生物智能性、使役持久性、以及可循环性等特点。

虽然自然界中的“产品”种类繁多，但是致密材料类“产品”却是屈指可数，仅限于石头类（花岗岩和钻石）、以及冰等物质，一般是通过结晶或高温高压方式产生的。

相反，自然界中的非致密材料或多孔类材料却比比皆是，例如大约有植物 50 万余种、动物及昆虫 150 万种。无论它们的软组织还是硬组织，本质上都属于多孔材料。

那么，自然界中为何会有如此种类繁多的多孔材料或多孔结构？这个问题的答案可能有很多种，但是自然界中的生物体类多孔材料，似乎能够提供一个内涵深刻的答案。

对于自然界中的生物体类多孔材料来说，“多孔结构”是它们实现质量高效分配，以获得出色的结构效率和多功能特性的复杂又巧妙的设计方式。

与许多研究团队类似，多年来团队一直在以不同的角度向大自然学习。金属 3D 打印技术的日渐成熟，为他们更好地效法自然，设计制备复杂多孔结构的金属机械超材料提供了创新基础[1]。

多孔类金属机械超材料或力学超材料

近年来，随着金属 3D 打印技术的日臻成熟，涌现了一类结构形式新颖、性能独特的金属材料——多孔类金属机械超材料或力学超材料。

这类材料一般是按毫米尺度或微米尺度的孔结构以一定的方式构筑而成，因此也叫构筑式多孔类金属机械超材料。

同时，它又可以细分为不同的类型，在不同类型的材料中，“超”字的含义也有所不同。

本次研究聚焦于轻质高强金属机械超材料，因此在这种材料之中，“超”字便意味着超高的强度。

例如，钛合金的密度一般为 4.5g/cm³ 左右，但是当多孔钛合金的孔隙率大于 60% 以上时，它的密度则会小于 1.8g/cm³，变得类似或低于大多数致密镁合金的密度。

如果针对这类多孔钛合金中的孔结构进行设计，就有可能使其强度远远超过高强致密镁合金的强度，从而制备出轻质高强的金属机械超材料，而其独特的孔结构，还能同时提供一系列迥异于致密材料的功能特性。

大约始于 2005 年，学界开始使用金属激光粉末床 3D 打印技术，来制备结构复杂的金属机械超材料。

历经近 20 年的深入研究，作为一种新型结构形式，金属机械超材料已经成为一个跨学科的研究前沿，并在医疗、航空、国防等领域获得了规模化应用。

但是，从能否实现结构大幅度轻量化这一标准来看，目前金属机械超材料的力学性能依然处于初步阶段，远无法满足工程结构对于轻质量和高强度的要求。

例如，在密度为 1.8gcm³（等同于镁合金的密度）的情况下，各类金属机械超材料的屈服强度大约只有 100-165MPa 左右，因此很难用于一些关键任务之中。

美国宇航局计划在不久的将来研制出密度接近水（1.1-1.3g/cm³），但同时屈服强度至少要在 500MPa 以上的金属机械超材料。这一屈服指标远远超过一般镁合金的屈服强度（165MPa 上下）但同时密度要低的多。由此可见，真正意义上的轻质高强金属机械超材料的研究才刚刚进入攻坚阶段。

实现力学性能的初步突破

在本次研究之中，团队巧妙结合了立方结构的空心薄壁细杆机械超材料与薄板机械超材料，并让两者实现了互相贯穿。

在结构形式上，其迥异于以往报道的机械超材料的拓扑结构。

在强化机理上，则能充分发挥两种结构各自的特点，通过契合这两种超材料结构，在保持原母体空心薄壁细杆超材料基本功能特征不变的前提下，大幅度地提高力学性能，实现了结构功能一体化质的飞跃。

图 | 计算机辅助设计模型（左）实际打印的钛合金超材料样品（右）（来源：）

研究中，他们使用钛合金 Ti-6Al-4V 球形粉末为原料，用激光粉末床打印的方式制备了上述结构的新材料。结果表明，在相对密度为 20-40% 的研究范围内，材料的相对屈服强度远远高过已有的金属多孔材料。

其中，当材料的绝对密度为 1.8g/cm³ 时，其绝对屈服强度大于 260MPa。该屈服强度远远超过最强的铸造镁合金 WE54-T6 的屈服强度（165MPa），这拓宽了轻质高强金属机械超材料的应用空间。

依据现有的理论模型，在相同密度条件下，不同多拓扑结构材料的力学性能，例如屈服强度或弹性模量相差可达 10 倍以上。因此，拓扑结构会力学性有着非常重要的影响。

需要强调指出的是，实现轻质高强多拓朴结构设计的核心在于，在给定的密度条件下，尽可能地让承载时的应力实现均匀化分布。

图 | 相对屈服强度与相对密度的 Gibson-Ashby 模型对数图（来源：Advanced Materials）

由于本次所报道的工作仅限于钛合金，因此审稿专家们也十分关注这一设计思路能否用于其它金属合金体系。从和团队最近完成的针对铝合金的研究工作看，答案是肯定的。

未来的研究与展望

在本次研究之中，所有样品都是在 10-3s-1 标准应变速率之下进行测试。但是，加载时的应变速率会同时影响屈服强度和弹性模量。对于多孔金属而言，随着应变速率的增加，屈服强度的增幅通常远远大于弹性模量的增幅。

因此，未来还需要在不同应变速率之下开展进一步的研究，以全面鉴定这些超材料的特性，从而形成不同的设计方案或设计准则。

此外，目前所设计的多拓朴结构机械超材料的结构效率还有待进一步提高。而为了最大限度地提高结构效率，机械超材料结构中的每克材料，都应该在所预期的加载条件之下发挥最大的效率。

因此，在具备可打印性的前提之下，未来可以从以下四个方面着手：

其一，使用矩形空心截面取代当前的实心薄板，并沿着主要加载方向重新分配节省下来的质量；

其二，考虑使用板厚不均的薄板拓扑结构；

其三，根据不同的加载条件，优化空心薄壁细杆的壁厚和外径；

其四，优化薄板机械超材料和空心薄壁细杆机械超材料这两个拓朴结构的相对体积分数。

同时，采用多尺度分析和建模，应该会有助于理解复杂结构的金属机械超材料力学响应的微观、介观和宏观尺度因素之间的关系，从而实现设计的进一步创新。

最后需要指出的是，随着激光粉末床打印技术的不断发展，以及更多高质量数据的涌现，生成式 AI 设计有望在未来金属超材料的设计中发挥关键作用。

参考资料：

1.J. Noronha, J. Dash, J. Rogers, M. Leary, M. Brandt, M. Qian, “Titanium multi-topology metamaterials with exceptional strength”, Advanced Materials, 2024, 2308715 (DOI: 10.1002/adma.202308715).

2.Haozhang Zhong, Raj Das, Jianfeng Gu, Ma Qian, “Low-density, high-strength metal mechanical metamaterials beyond the Gibson-Ashby model”, Materials Today, 2023, 68, 96-107 (DOI: doi.org/10.1016/j.mattod.2023.07.018).

3.Haozhang Zhong, Tingting Song, Chuanwei Li, Raj Das, Jianfeng Gu, Ma Qian, “The Gibson-Ashby Model for Additively Manufactured Metal Lattice Materials: Its Theoretical Basis, Limitations and New Insights from Remedies”, Current Opinion in Solid State and Materials Science, 2023, 27, 101081 (doi.org/10.1016/j.cossms.2023.101081).

4.J. Noronha, J. Rogers, M. Leary, E. Kyriakou, S. Inverarity, R. Das, M. Brandt, M. Qian, “Ti-6Al-4V hollow-strut lattice materials by laser powder bed fusion”, Additive Manufacturing, 2023, 72, 103637 (DOI: doi.org/10.1016/j.addma.2023.103637).

5.X. Z. Zhang, H. P. Tang, J. Wang, L. Jia, Y. X. Fan, M. Leary, M. Qian, “Additive manufacturing of intricate lattice materials: Ensuring robust strut additive continuity to realize the design potential”, Additive Manufacturing, 2022, 58, 103022 (DOI: 10.1016/j.addma.2022.103022).

运营/排版：何晨龙、刘雅坤

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