港城大-南科大-北科大《Science》子刊：材料-结构-功能一体化增材制造铝基力学超材料

增材制造（3D打印）正在重塑高性能材料的开发路径，为复杂构件快速成型及新合金设计提供了前所未有的技术支撑。在这一背景下，力学超材料因其可设计的异质结构与卓越性能，成为结构功能一体化领域的研究热点。然而，传统超材料往往难以在轻质性与高强度、高稳定性之间取得理想平衡，限制了其实际工程应用。为攻克该难题，本研究提出“材料–结构–功能”一体化策略，采用激光粉末床熔融技术成功制备出具有跨尺度协同增强效应的铝基超材料。该材料不仅在密度（0.91 ± 0.01 g/cm³）与相对屈服强度（17.0 ± 0.7%）方面表现优异，其比能量吸收值更是达到创纪录的39.1 ± 0.7 J/g，显著超越现有铝基及多数金属超材料水平。该研究为开发新一代抗冲击、轻量化工程部件提供了可行范式。

研究背景：从“材料–结构分离”到“跨尺度协同”

高性能金属构件是航空航天、交通运输、能源装备等领域的关键基础件，对其轻量化、高强度与高可靠性的要求日益提升。传统性能提升路径主要分为两类：一是在材料层面，通过合金设计与微观组织调控优化性能；二是在结构层面，借助拓扑优化实现宏观构型的力学增强。然而，将材料与结构在多个尺度上进行一体化设计，以激发协同增强效应，仍是一个具有挑战性的科学问题。

力学超材料（亦称机械超材料或晶格材料）通过人为设计在微观至宏观尺度上赋予结构特殊性能，如高强度、超弹性或高效能量吸收。金属增材制造，特别是L-PBF技术，为实现“材料–结构”一体化设计提供了理想平台。然而，现有研究仍面临双重瓶颈：在材料端，广泛使用的Al-Si系合金力学性能有限，而高强铝合金在L-PBF快速凝固过程中极易产生热裂纹；在结构端，多数设计仍停留于单一尺度优化，未能充分融合材料本征性能与结构构型优势，导致能量吸收曲线波动大、综合性能难以突破。

创新策略：双重仿生与跨尺度设计

为应对上述挑战，吕坚院士领导的香港城市大学宏桥轻质金属创新研究院团队联合南方科技大学机械系朱强讲席教授团队与北京科技大学碳中和研究院等团队提出了“材料–结构–功能”协同设计理念，融合高性能轻质铝合金与仿生多级结构，推动超材料性能实现跃升。相关成果以题为“Bio-inspired material-structure-function integrated additive manufacturing of Al-based metamaterials with surpassing energy absorption"发表在顶尖期刊《Science Advances》上，通讯作者为香港城市大学吕坚院士与南方科技大学朱强讲席教授。南科大贺喜同学，香港城市大学李干博士，南昌大学张磊教授（原香港城市大学博士后）与北京科技大学黄禹赫博士为论文共同第一作者。

论文链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea0430

*材料层面：仿珊瑚真菌的异质晶粒结构设计

研究团队借鉴珊瑚真菌系统中“熔池状异质结构”的形态特征，开发出一种适用于L-PBF工艺的新型低密度高强度铝合金。通过引入Zr元素，诱导析出L1₂型Al₃Zr纳米颗粒，该颗粒与铝基体形成共格界面，既能抑制热裂纹产生，又可在快速凝固过程中促进“超细等轴晶+柱状晶”双模态晶粒组织的形成。该合金密度约为2.7 g/cm³，拉伸强度达360–370 MPa，延伸率为17–18%，为构建高性能超材料奠定了优质基材基础。

*结构层面：英雄鼩鼱脊柱启发的高稳定性吸能构型

在超材料结构设计中，团队以英雄鼩鼱（Hero Shrew）的脊柱结构为灵感来源——这种小型哺乳动物的脊柱呈拱形且轴向高度紧凑，能够承受相当于体重百倍的压力。基于此，研究人员设计出具有“脊柱曲率”与“纵向窄–宽–窄分布”特征的多级孔洞结构。通过调控形状因子与厚度因子，实现孔隙率65%–85%的精准控制，并将传统简单立方结构常见的“剪切带失效”模式转变为稳定的“逐层塌陷”，显著提升了能量吸收的平稳性。

图1“材料-结构-功能”一体化超材料的设计理念

性能验证：多级强化机制与卓越综合表现

微观分析显示，该超材料在多个尺度上均展现出强化特征：纳米级Al₃Zr析出相、亚微米胞状结构与双模态晶粒组织协同作用，显著提升了材料的本征强度。在介观尺度，仿生结构引导应力由节点–支柱连接处向顶点区域有序转移，促进层间孔洞逐步闭合并诱发早期加工硬化，从而在宏观尺度实现高而平稳的能量吸收。

图2 增材制造铝基超材料多尺度表征。

图3超材料的压缩性能。

图4超材料变形机制分析。

性能测试结果表明：该超材料在保持超低密度（0.91 ± 0.01 g/cm³）的同时，相对屈服强度达17.0 ± 0.7%，比能量吸收值高达39.1 ± 0.7 J/g，不仅远超已有铝基超材料，也优于多数其他金属基超材料，成功破解了“轻质”与“高强–高吸能”难以兼顾的困局。

图5本研究铝基超材料的优异性能（正文图5）。

应用前景：从汽车防撞到航天着陆的轻量化解决方案

为验证其工程适用性，研究团队以汽车吸能盒为原型，1:1打印出150×85×162 mm³的超材料构件。与商用6061铝合金吸能盒相比，该构件比能量吸收提升194.7%，屈服强度提升411.6%，展现出显著的性能优势。

图6 汽车吸能盒力学性能对比。

除汽车防撞结构外，该超材料的设计理念与性能可扩展性使其在航天器着陆缓冲系统、深海装备防护外壳等多个高附加值领域具有广阔应用潜力。通过调节关键设计参数，还可根据不同场景的抗冲击与轻量化需求进行定制化开发，为未来可持续工程结构的设计提供了重要技术储备。

通讯作者简介

吕坚院士（通讯作者）：法国国家技术科学院（NATF）院士、香港工程院（HKAE）院士、香港材料研究会理事长（HKMRS）、香港城市大学机械工程系讲席教授、工学院院长、国家贵金属材料工程研究中心香港分中心主任、先进结构材料中心主任。研究方向涉及先进结构与功能纳米材料的制备和力学性能，结构与功能材料的设计及增材制造，图灵及高熵合金催化剂在电解水制绿氢及燃料电池与污水处理，超高灵敏度表面增强拉曼光谱（SERS）及在心脑血管疾病早期快速诊断，环保，食品安全等领域的应用。中科院首批海外评审专家，中科院沈阳金属所客座首席研究员，西安交通大学、东北大学、北京科技大学、南昌大学名誉教授，西北工业大学、上海交通大学和西南交通大学顾问教授，中科院知名学者团队成员，2011年被法国国家技术科学院（NATF）选为院士，是该院300多位院士中首位华裔院士。2006年与2017年分别获法国总统任命获法国国家荣誉骑士勋章及法国国家荣誉军团骑士勋章，2018年获中国工程院光华工程科技奖。已取得86项欧、美（52项）、中发明专利授权，在本领域顶尖杂志Nature（封面文章），Science，Nature Materials，Nature Chemistry，Nature Water，Science Advances，Nature Communication，PNAS, Materials Today，Advanced Materials, JACS, Angew. Chem., JMPS, Acta Materialia 等专业期刊上发表论文650余篇，引用54000余次，H因子103（Google Scholar），2025年科睿唯安"全球高被引科学家"。个人主页：https://scholars.cityu.edu.hk/en/persons/jianlu

朱强教授（通讯作者）：南方科技大学机械与能源工程系讲席教授。1994年毕业于德国爱尔兰根-纽伦堡大学材料科学专业，获工学博士学位；曾任北京有色金属研究总院副总工程师、首席专家、学术和学位委员会委员、国家有色金属复合材料工程技术研究中心副主任、北京市金属先进成形技术中心首创主任，科技部十二五《高品质特殊钢和高温合金》总体专家组专家。现为英国材料、矿业与矿物学会会士，第十五届国际半固态技术委员会主席，中铸协半固态技术工作委员会主任委员。先后参与或主持法国科学中心中法合作项目、德国国家自然基金项目、英国国家自然基金重点项目、英中国际合作项目以及康明斯全球涡轮增压器关键部件压叶轮和涡轮的寿命改进项目。近5年先后承担国家科技支撑、外国资深学者项目，国际合作、重点研发计划以及省市等纵向科研项目和企业合作横向项目。曾获国际合金及复合材料半固态加工技术杰出贡献奖、北美国际半固态/挤压铸造大奖、两次康明斯技术创新奖、深圳市科技进步一等奖、中国有色金属工业科学技术奖一等奖。受邀多次在国际著名学术会议上作特邀报告，发表论文200余篇，编辑出版专著2本，国际发明专利1项及中国专利50项。个人主页：https://faculty.sustech.edu.cn/zhuq

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢作者团队支持。