毛新平院士&吕坚院士等APM：增材制造高性能不锈钢力学超材料

导读：增材制造点阵超材料因兼具低密度、高比强度及优异能量吸收特性而成为研究热点。然而，传统体心立方（BCC）与面心立方（FCC）点阵构型普遍受限于节点区域的应力集中问题，严重制约其力学潜能的充分发挥。受纸莎草茎秆天然三角棱柱形态启发，本研究提出一种几何驱动的仿生设计范式。该策略在保持结构各向同性与轻质特性的前提下，成功实现应力自节点向支柱的再分布。选用316L不锈钢作为验证材料，相较于传统点阵，仿生结构使能量吸收提升32%，压缩强度提高63%，比模量增加59%。原位压缩实验与有限元分析共同揭示，该仿生构型通过抑制应变局域化并促进胞元均匀协同变形，从根本上优化了失效模式与载荷传递路径。微观表征进一步证实了节点至支柱的显著应变重分配，验证了均匀变形机制。本工作建立了一种具普适性的仿生设计准则，为高性能点阵超材料在先进结构与可持续工程领域的应用提供了新路径。

航空航天、交通运输及能源等领域对轻质、高强且具备高效吸能特性的结构材料需求持续增长。激光粉末床熔融（L-PBF）等增材制造技术的成熟，为复杂点阵超材料的精密成型提供了技术基础。BCC与FCC作为两类最具代表性的点阵拓扑，因其优异的力学响应、良好的可加工性及结构各向同性而得到广泛研究。但二者共同的性能瓶颈在于节点处的应力高度集中，易诱发构件早期失效，严重限制了其工程应用。现有改进策略，如调整支柱截面形状、优化单胞构型或设计梯度结构，虽可在一定程度上缓解此问题，却往往以牺牲结构各向同性为代价。因此，在不破坏对称性的前提下实现应力分布的协同优化，成为提升点阵超材料综合力学性能的核心科学问题之一。

为应对上述挑战，北京科技大学毛新平院士团队联合香港城市大学吕坚院士与南方科技大学机械系朱强讲席教授团队提出一种普适性仿生设计策略：首次将纸莎草茎秆的三角棱柱几何特征引入点阵结构设计，将支柱截面由圆形转变为多边形。该策略不依赖于特定材料体系，能够将传统点阵结构中集中于节点的应力有效转移至支柱，并促使应力矢量方向与外加载荷方向平行，从而最大程度发挥材料承载潜能。这一受自然启发、以应力调控为核心的设计思想，不仅为点阵超材料的性能突破提供了新思路，亦具备推广至更广泛工程结构设计领域的潜力。

实验结果表明，采用L-PBF技术制备的仿生316L不锈钢点阵样品，打印精度高（偏差<63 μm）、致密度优异（相对密度>99.96%），充分验证了该仿生设计策略与先进增材制造技术的良好兼容性。准静态压缩测试显示，仿生设计显著提升了点阵结构的关键力学指标：相较于传统BCC，仿生BCC（BI-BCC）的能量吸收、弹性模量及平台应力分别提升32%、59%和63%；相较于传统FCC，仿生FCC（BI-FCC）则分别提升33%、15%和46%。以上数据表明，仿生设计实现了强度、刚度与能量吸收的协同增益，突破了传统点阵结构的性能瓶颈。

原位压缩图像及数字图像相关（DIC）分析进一步揭示了变形模式的转变：传统BCC/FCC结构表现为典型的“逐层失效”特征（应变集中于端部区域），而仿生BI-BCC/BI-FCC结构则呈现出更为理想的“均匀变形”模式（应变分布更为弥散）。在塑性变形阶段，仿生结构的支柱因应力再分布而发生更早的相互接触与屈曲，形成有利的二次载荷传递路径，进一步缓解了节点处的应变集中，从而延缓了局部失效的发生。微观结构表征（EBSD、TEM）进一步阐明了宏观性能提升的物理本质：仿生BI-BCC结构的节点与支柱均承受了相当程度的应变，而传统BCC结构的应变则高度局域于节点，支柱几乎未参与承载。透射电镜观察发现，在高应变传统BCC节点区域，高密度形变孪晶与层错的交互作用诱发了脆性α′-马氏体相变，易于引发早期裂纹。相比之下，仿生BI-BCC节点区域展现出更为温和的变形机制，形成了大量Lomer-Cottrell锁及纳米孪晶，既能有效阻碍位错运动提供加工硬化，又可避免脆性相的生成，从而实现了更稳定的塑性流变与更优的损伤容限。上述原子尺度的微观证据，从机理层面证实了仿生设计通过“应变均匀化”提升整体力学性能的科学思想。

相关成果以题为“Papyrus-inspired 3D printed stainless steel-based lattice metamaterials with architected stress redistribution for superior mechanical performance”发表在期刊《Advanced Powder Materials》上，北京科技大学黄禹赫博士、南方科技大学贺喜同学与香港城市大学李干博士为第一作者，香港城市大学吕坚院士与北京科技大学毛新平院士为通讯作者。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772834X26000175

图1. 受纸莎草启发的点阵超材料设计策略。

图2. 点阵超材料的力学性能。

图3. 四种点阵超材料的弹性阶段有限元模拟。

图4. 四种点阵超材料的塑性阶段有限元模拟。

图5. 变形节点与支柱的微观结构及应变分布。

图6. 变形BCC与BI-BCC点阵超材料节点的微观结构特征。

主要作者简介

毛新平，中国工程院院士，北京科技大学终身教授，博士生导师，北京科技大学碳中和研究院、碳中和学院院长。现任钢铁行业低碳工作推进委员会专家委员会主任，中国金属学会碳中和分会主任委员，工业产品环境适应性全国重点实验室、汽车用钢开发与应用技术国家重点实验室、海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室学术委员会主任。长期从事先进钢铁材料及其低碳制备技术的基础理论研究、工艺技术开发、新材料研制和工程技术集成，主持开展国家自然科学基金委重大项目和国家重点研发计划等多个科技计划项目，主持设计国家重点工程项目。获得国家科技进步二等奖3项、省部级科技进步一等奖9项、国家优秀工程设计银质奖1项，出版专著6部，发表论文330余篇，授权发明专利180余件。获得何梁何利基金科学与技术创新奖、光华工程科技青年奖、魏寿昆冶金青年奖和首届杰出工程师奖，入选首批“万人计划”百千万工程领军人才、全国劳动模范、全国五一劳动奖章和钢铁工业劳动模范。2015年当选中国工程院院士。个人主页：https://faculty.ustb.edu.cn/maoxinping/zh_CN/index.htm

吕坚，法国国家技术科学院院士，美国国家发明家科学院（NAI）院士，香港工程院院士，香港发明创新总会会长，香港城市大学机械工程讲席教授，先进结构材料研究中心主任。香港材料研究会（HK-MRS）理事长，香港力学学会前理事长，广东省大湾区激光与增材制造产业技术创新联盟副理事长，世界新能源汽车大会科技委员会委员。研究涉及先进纳米材料制备与力学性能，3D/4D打印，结构与功能材料预应力工程。在Nature（封面文章），Science, Nature Materials, Nature Chemistry， Nature Water，Nature Communications, Science Advances, PNAS, Advanced Materials, Materials Today, PR， JACS等杂志上发表论文650余篇，引用5万6千余次，H Index=108，2025年“科睿唯安“全球高被引科学家, 91项欧、美（53项）、中发明专利获授权。北京科技大学，东北大学，西安交大等大学名誉教授, 上海交大，西北工业大学，西南交通大学顾问教授。2006年与2017年分别获法国总统任命获国家荣誉骑士勋章及国家荣誉军团骑士勋章，2013年和2018年分别在中国力学大会与中国材料大会上做大会报告。2018年获中国工程院光华工程科技奖。个人主页：https://scholars.cityu.edu.hk/en/persons/jianlu

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

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