科学家制造出世界首个可漂浮钛结构

人们常说，溺水者为了浮在水面几乎什么都会抓，但如果递给他一个钛制浮标，他多半会三思。然而，科学家已经创造出一种钛结构，它既能漂浮，又不牺牲这种金属的强度。

澳大利亚皇家墨尔本理工大学的一个研究团队创造出他们所称的“有浮力的金属-聚合物开孔晶格超材料”。这是一种3D打印的钛结构，尽管钛本身的密度是水的四倍多，这种结构却能漂浮。为实现这一点，他们3D打印了一个钛合金骨架，并把每根梁做成中空。随后，他们用轻质聚氨酯泡沫填充这些中空梁。在测试中，即使出现裂纹、连接点断裂、整个晶格层破碎，这种结构仍保持浮力。

想要一种既极其坚固又有浮力的材料，有很多理由。

浮标、漂浮传感器、海上平台和其他海洋基础设施必须承受反复的波浪冲击和腐蚀性海水，并且在受损时不会沉入水面以下。不锈钢和钛等金属能提供这些任务所需的强度和抗疲劳性。这里使用的钛合金Ti-6Al-4V还具有特别好的耐海水腐蚀性。然而，显而易见的短板在于它的密度。Ti-6Al-4V的密度约为4.43克/立方厘米，而淡水约为1克/立方厘米，这意味着它通常会沉底。

但人类作为狡猾的物种，早在成为航海者时就设计出了几种解决方案。根据阿基米德原理，当一个物体排开的水的重量能够支撑它自身的重量时，它就会漂浮。因此，一艘船可以用密度很大的钢制成，却仍能漂浮，因为其空心船体包容了大量空气。或者，工程师可以加入泡沫等低密度材料来提供浮力。

金属晶格可能提供了另一条途径。3D打印可以把相对少量的金属变成一个大而轻的梁网络，从而制造出具有惊人强度重量比的结构。有些金属晶格的表观体积密度甚至不到水的十分之一。遗憾的是，它们的开放结构在水中反而不利。

“它们开放、相互连通的空间会让水进入，导致它们下沉，”首席研究员乔丹·诺罗尼亚博士解释说。

这一解释凸显了密度一个略有迷惑性的方面。用晶格的质量除以其整体外部体积时，会把那些大空隙也算作体积的一部分。然而，一旦浸没，水就会直接流入这些空隙。它们不再贡献有用的排水量，结构便会下沉。

因此，皇家墨尔本理工大学的研究人员提出了另一种衡量标准，称为“骨架密度”。它忽略外部可进入的空间，只计算结构中真正排开水的部分。如果骨架密度低于周围液体的密度，结构就应该漂浮。

研究人员用Ti-6Al-4V设计了简单立方晶格，由4×4×4阵列、单元尺寸为10毫米的晶格组成。他们没有打印传统的实心梁，而是打印了壁厚仅0.2毫米（约0.008英寸）、内部通道直径为2.5至4毫米（0.1至0.16英寸）的中空支柱。这些结构采用激光粉末床熔融制造，其中激光选择性地熔化一层层钛粉，逐步构建出复杂几何形状。

然后，他们通过钛支柱内部相互连通的通道注入可膨胀聚氨酯泡沫。泡沫膨胀时填满梁的内部，同时让梁之间的大空间完全保持开放。

在显微镜下，泡沫与粗糙的钛内壁形成了紧密结合的界面，其中主要是直径约10至200微米的闭孔。这些封闭的微气泡捕获气体并阻止水进入。结果实际上是一个由填充泡沫的微小钛管构成的骨架。钛承载负荷并提供强度，泡沫则提供浮力。

此前，金属-聚合物晶格通常会用环氧树脂、PEEK或硅酮等聚合物填充梁之间的空间。所得结构可以获得减振或热调节等有用性能，但填充外部孔胞会消除最初让晶格有趣的开放性。而在这种新结构中，水仍可自由流过，使其渗透性和巨大的暴露表面积保持完好。

泡沫也几乎没有影响钛的机械性能。与同等的中空支柱晶格相比，加入聚氨酯仅使体积密度增加约5.9%至7.3%，同时屈服强度、极限抗压强度和刚度也只发生类似小幅变化。与用于对比的两种传统海洋材料——高密度聚乙烯塑料和316L不锈钢——相比，这种混合材料还实现了更高的比强度。

在最初的浮力测试中，研究人员将几种设计浸入淡水超过两个月。所有未填充的钛晶格都因水灌入中空通道而下沉。填充泡沫的版本则完全符合骨架密度模型的预测：骨架密度高于测试水密度0.997克/立方厘米的样品下沉，低于该密度的样品漂浮。

接着，研究人员开始破坏它们。毕竟，结构仅仅在平静水面上漂亮地漂着还不够；在实际中，它还必须经受住海洋的多次打击后仍能继续按预期发挥作用。

他们让漂浮样品承受压缩，并随着损伤逐渐加重，定期将它们放回水中。即使超过极限抗压强度、单个节点断裂，甚至裂纹扩展到足以使整个晶格层断裂，它们仍然漂浮。只有当结构被严重压碎并进入致密化阶段时，它们才最终下沉。那时，压缩已使其体积缩小到足以让骨架密度超过水。

闭孔泡沫在这里尤其有价值。完全中空的钛结构也可以通过在其支柱内密封空气来获得浮力，但一个严重裂纹就可能让水灌满相互连通的通道。泡沫则充当一种“分布式屏障”。它能防止某一处的损伤给水提供贯穿整个结构的畅通通道。

该团队还将这种材料浸入来自墨尔本菲利普港湾的天然海水两周。它仍保持浮力，质量仅损失0.15%，强度下降不到1%。

最后，他们将该材料制成了某种可辨认出用途的东西：一个高100毫米、宽85毫米的海洋浮标原型。这个3D打印浮标在天然海水中漂浮，同时湍流使其反复旋转，角度可达45度，而且无需密封外壳、保护涂层或单独的浮力材料，证明了该结构在现实条件下的可行性。

至于下一步，研究人员计划将该技术扩展到更大的结构，并证明其在真实海洋和深海条件下的长期耐久性。他们还认为，中空钛框架是一个更广泛的材料平台。将聚氨酯替换为另一种填料，就能调整同一基本结构，用于能量吸收、减振、热管理或其他应用。换句话说，工程师可以通过将3D打印中空结构与不同填料材料相结合，制造出具有非常规性能组合的物体。

关于这项研究的论文最近发表在《先进材料》期刊上。

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