上交大特材所 l 增材制造多层级功能结构综述

在生活中人们比较熟悉的骨骼、竹子和荷叶并非由单一材料或均匀结构堆砌而成，而是通过多材料与跨尺度层级的巧妙搭配，让不同区域各司其职。如果用工程领域的视角来看，它们都属于功能层级结构。

功能层级结构逐渐成为主流设计趋势，这是因为它打破了传统均质材料的性能天花板，用最少的代价实现局部最优的功能集成。而制造行业的人都清楚这样的结构对制造的挑战很大。增材制造-3D打印技术能够逐层堆叠、灵活组合多种材料与复杂几何结构的特性，为制造这类复杂功能层级结构提供了新可能。不过，这并不意味着没有挑战。比如说，多材料界面的结合容易产生缺陷，精细内部结构的支撑去除困难，再加上如何系统化地指导设计而非盲目试错，仍是当前亟待攻克的前沿难题。

本期谷·专栏分享的由上海交通大学研究团队发表的综述论文，对增材制造多层级功能结构这一话题进行了深入论述。

论文链接：

doi.org/10.1016/j.pmatsci.2026.101725

该论文以上海交通大学为第一完成单位，上海交通大学研究生郑庚辰为第一作者，共同作者包括上海交通大学吴一副教授、孙华助理研究员、王洪泽长聘副教授、王浩伟讲席教授、高振洋博士、任芃源博士生，多伦多大学Xinyu Liu教授和Yu Zou教授，南洋理工大学Kun Zhou教授，香港大学Yang Lu教授。

内容简介

长期以来，工程领域一直怀揣着一个持久的追求，那就是理解、实现并人工复现自然界中复杂材料与结构的功能之美。

为更好地满足不同区域的功能需求，采用多材料组成和层级结构的设计正逐渐成为主流趋势。功能层级结构可以理解为：材料或几何结构在多个空间尺度上呈现出的渐变或过渡。这类结构在自然界和工程领域都广泛存在。比如说骨骼就是一种天然的多孔功能层级结构，表现出非均匀的各向异性特性。还有生活中常见的汽车轮胎也是一种典型的功能层级结构，它们的外层是柔软耐磨的橡胶，中间层是起缓冲作用的空气，内层是承受载荷的金属材料。这些例子都表明，材料和结构的双重多样性设计是十分必要的。

不过，这些结构固有的几何复杂性，使得传统的制造方法难以实现。增材制造-3D打印技术为突破传统制造限制，释放设计自由度，实现无限创造和环境可持续提供了可能。

增材制造是实现功能层级结构制造的重要技术手段。尽管如此，功能层级结构的研究仍面临不少挑战。

近日，上海交通大学材料科学与工程学院特种材料研究所团队在材料领域著名期刊《材料科学进展》（Progress in Materials Science, IF=40）上在线刊登了题为Design, properties and applications of additively-manufactured functional hierarchical structure的综述文章。研究团队从超结构设计与多材料增材制造方法等角度总结了多层级结构的研究现状，并从力、振动、声、电磁、热力与多功能耦合等方面探讨了其功能特性。该工作综述了多层级结构的设计思路、总结了多功能特性的设计策略，展望了其潜在应用场景，为多层级功能结构的创新设计和增材制造提供了思路。

以下为上海交通大学材料学院对该综述论文核心内容的分享。

生物结构往往由多材料和多层级特征组成，以实现自然界独特的功能特性。增材制造技术为将这些生物结构转化为人工结构提供了可能。这些结构可以展示出精心设计的不同多尺度材料和几何结构的空间组合。

图 1 具有多材料与超材料特性的层级结构设计策略

尽管在开发这些功能层次结构方面的研究正在兴起，但业界仍缺乏对基本设计和功能知识的系统总结。上海交通大学研究团队从多材料和结构超材料的角度回顾了层次结构，提供了对多材料模型、制造技术和层次结构的重要理解，以及来自经验设计、生物识别和机器学习方法的超材料，如图1所示。

图 2 增材制造多层级结构的功能特性

此外，还探讨了功能性分级结构的多功能特性，包括了如能量吸收、损伤容限、振动阻尼、吸声性能、电磁屏蔽、热交换器与热阻，以及其他多物理场耦合，如图2所示。

师法自然：从单一走向多级

自然界经历亿万年的进化，创造了如骨骼、竹子、贝壳等极具精巧构型的高性能材料。这些材料的共同特点是具有明显的分级性——即在不同空间尺度上拥有特定的结构特征。

本综述论文指出，传统制造技术在处理这种跨尺度复杂结构时往往面临制造受限的挑战。而增材制造技术的崛起，彻底打破了复杂性带来的成本障碍。通过激光粉末床熔化（PBF）等增材制造工艺，实现了在宏观零件内部精准嵌入微纳尺度的拓扑单元，从而赋予材料超越天然物质的超常规性能。

核心发现：1+1>2的性能跃迁

论文深入剖析了分级结构背后的物理机制，提出了几个颠覆性的观点：

1. 力学性能的“鱼与熊掌兼得”： 在传统认知中，强度与韧性往往不可兼得。通过多层级点阵（Hierarchical Lattice）设计，可以有效阻断裂纹扩展，在保持超轻重量的同时，实现极高的能量吸收效率和抗压强度。

2. 缺陷容忍度的提升：增材制造不可避免会产生微小缺陷，但在多层级结构中，应力分布被精细地重新分配，即使局部出现微小裂纹，整体结构依然能保持稳定，极大提升了工程应用的安全性。

3. 多功能集成：多层级级结构不仅是力学的艺术，更是热、电、声、生物性能的综合体。通过调整空间孔隙的分级分布，可以同时实现高效散热、吸声降噪以及促进骨细胞生长的生物活性，使结构本身即功能。

展望未来：AI辅助与增材制造的交汇

尽管前景诱人，但论文也清醒地指出，多层级结构的大规模应用仍面临挑战。对此，作者提出了三大前瞻性展望：

设计智能化。随着结构层次的增加，计算量呈指数级增长。未来，人工智能与机器学习将介入设计过程，通过算法自动寻找性能最优的“非直观”形状，实现真正的AI造物。

制造极端化。未来技术将追求更高的精度与更大的尺寸共存。如何在米级构件上完美呈现微米级的分级特征，将是下一代增材制造装备的核心战场。

材料-结构-制造一体化。针对多层级结构与高性能材料的特性，开发相匹配的智能增材制造工艺，推动多层级结构的高性能、高精度、低成本、批量化增材制造是当前面临的挑战。

该工作得到了国家重点研发计划（2023YFB3712001）、国家自然科学基金（52025058，52441503，523B2048，52075327，52105469），上海市科技发展基金（23YF1419400），中国博士后科学基金（2021M692038，2022T150399），安徽省高效协同创新项目（GXXT-2022-086，GXXT-2023-029）的支持。

课题组简介

上海交通大学材料学院特种材料研究所是金属基复合材料国家重点实验室的重要组成部分，由王浩伟讲席教授任负责人，与国际著名大学和大型企业建立多个联合实验室。研究所主要从事新型特种材料的设计、制备及其成形技术研究，支撑了多项国家重大工程需求，在航空航天和汽车轨交等多领域获得广泛应用。多年来承担重点研发计划、民机预研、民用航天预研、国家自然科学基金及国际合作项目等五十余项。在国内外学术刊物上发表学术研究论文近300篇，获授权中国国家发明专利100余项。先后获得教育部技术发明一等奖、上海市技术发明一等奖及中国有色金属工业技术发明一等奖。研究所秉承“创新创造、科研报国”的精神，胸怀祖国、服务社会，面向世界科技前沿、面向国家重大需求，砥砺前行、勇攀高峰。

团队长期诚聘激光增材制造/激光成形工艺和装备、增材制造材料表征（微观组织、力学性能、疲劳）、增材制造过程同步辐射成像、增材制造超结构等方向博士后。联系人：王洪泽(hz.wang@sjtu.edu.cn)。

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