南航 l 金属3D打印仿生柔性金属超材料赋能主动变形机翼创新

智能变形飞行器能够根据不同的飞行条件动态调整机翼形状，从而优化气动性能。超材料因其定制化的单胞设计，展现出传统材料所不具备的优异性能。超材料因具有高设计自由度、优异力学和功能特性，是变形飞行器的理想材料。

然而复杂的仿生超材料对传统制造技术提出了挑战。激光粉末床熔融（LPBF）技术是正华自傲具有空间定制几何形状的复杂超材料的有效途径之一。

近日，南京航空航天大学顾冬冬教授课题组，提出了一种激光粉末床熔融成形的仿马齿苋种皮柔性金属超材料，实现了超材料面内变形行为可设计性及可重构变形功能特性，并在SCI期刊《极端制造（英文）》期刊上发表了题为Laser printed bio-inspired active flexible metallic metamaterials with reconfigurable deformation capability的文章。本期谷·专栏将对该文进行简要分享。

图1仿马齿苋种皮波纹网络结构设计及大变形/可重构一体化调控。

论文链接：

DOI: /2631-7990/ae2073

作者

陈雯昕，顾冬冬*，刘欣，孙宇，孙建峰，苏芳燕，邹锦文，陈宇生

机构

南京航空航天大学

图文解析

本研究的创新之处在于提出了一种基于马齿苋种皮柔性大变形功能启迪的智能金属超材料。利用激光粉末床熔融成形（LPBF）技术，精确成形了一系列仿生波纹网络结构试样。通过仿生结构优化设计及单胞构型参数化建模，实现了仿生波纹网络结构面内拉伸性能及其变形行为的主动调控。

图2仿生波纹网络结构设计。

图3激光粉末床熔融成形仿生波纹网络结构。

图4仿生波纹网络结构可调面内拉伸力学性能及变形行为。

结合NiTi形状记忆合金功能特性，超材料试样在10%应变下实现了最高96.1%的主动变形回复。仿生波纹网络变形翼肋实现了-25°~25°的连续变形能力和稳定的主动变形响应。

图5仿生波纹网络结构形状记忆功能。

图6仿马齿苋种皮波纹网络结构基变形翼肋主动变形应用。

总结与展望

本文基于马齿苋种皮大变形功能启迪，通过参数化结构设计并利用LPBF技术成形了一系列仿生波纹网络结构。主要结论如下：

1. 六边形波纹网络结构（HNHs）表现出优异的变形能力（断裂应变为38%）、承载能力（比强度为35.0 N·m·Kg−1）和能量吸收性能（SEA为699.7 mJ·g−1）。

2. 仿生波纹网络结构通过调节单胞壁的数量为3、4和6，实现了可调的面内拉伸性能和变形行为，其泊松比可调范围为-0.21~0.47。

3. 10%应变下HNHs结构实现了最高96.1%的主动变形回复，HNHs基的变形翼肋可实现-25°~25°的连续变形能力及稳定的主动变形响应。

作者与团队简介

顾冬冬

南京航空航天大学

顾冬冬，教授/博士生导师，南京航空航天大学材料科学与技术学院院长。国家杰出青年科学基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才，教育部“长江学者奖励计划”青年学者，国家“万人计划”青年拔尖人才，国家优秀青年科学基金获得者，德国Fraunhofer激光技术研究所洪堡学者。主持国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划“增材制造与激光制造”专项、装备预研共用技术重点项目等30余项。近5年以第一作者/通讯作者发表SCI论文100余篇（含Science论文1篇），出版英文专著3部，授权国家发明专利60余件、国际专利4项，研究成果在10余家航空航天单位30余种典型构件研制生产上获得应用。获教育部科学研究优秀成果奖（自然科学）一等奖、江苏省科学技术奖一等奖、军事科学技术进步奖一等奖、空军“创新杯”科技创新大赛优胜奖、第十四届中国航空学会青年科技奖、德国洪堡基金会Fraunhofer-Bessel研究奖、德国科学基金会Mercator Fellow奖等。

3D科学谷

论文引用

Chen W X, Gu D D, Liu X, Sun Y, Sun J F, Su F Y, Zou J W, Chen Y S. 2026. Laser printed bio-inspired active flexible metallic metamaterials with reconfigurable deformation capability.

Int. J. Extrem. Manuf.8025005.

DOI: 10.1088/2631-7990/ae2073

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投稿丨daisylinzhu 微信

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