RMIT马前团队 l 3D打印钛合金复合晶格材料——漂浮结构设计新思路！

l 澳大利亚皇家墨尔本理工大学 l

一块布满较大开放孔隙的钛合金复合晶格材料放入水中，水可以从孔隙中穿过，它却能稳定浮在水面。即使经过压缩、整层晶格材料发生断裂，它仍能漂浮。这种看似矛盾的现象，是如何实现的？

澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT）增材制造中心马前杰出教授团队近日在《Advanced Materials》发表研究，将3D打印的中空钛合金骨架与低密度聚氨酯泡沫结合，制成一种既能承载、又能漂浮的开孔复合晶格材料，为金属晶格材料用于海洋漂浮结构提供了新思路。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.74641

结构很轻，为何还会下沉？

金属晶格材料可以理解为由许多细小杆件连接而成、内部留有大量孔隙的立体框架材料。因此，它比同样外形尺寸的实心金属块轻得多。但“轻”并不等于“能浮”。

计算晶格材料的整体密度时，通常会把杆件之间的孔隙也计入总体积。放入水中后，水会进入这些孔隙，它们便不能像密封空腔那样持续排开水。因此，即使计算得到的整体密度低于水，开孔金属晶格材料仍可能下沉。

要让它浮起来，就需要在保留外部水流通道的同时，在结构内部留下能够阻止水进入、持续排开水的空间。

把泡沫装进中空骨架

团队此前围绕中空杆金属晶格材料开展了系列研究，探索如何打印薄壁杆件、提高连接部位的强度，以及更有效地利用金属材料。这些工作为最新的漂浮设计奠定了基础。

中空杆件就像细小的金属管，内部通道相互连通。研究人员先用激光粉末床熔融金属3D打印技术制备Ti-6Al-4V中空杆晶格材料，再向通道内注入可膨胀聚氨酯。聚氨酯在其中发泡、固化，形成含有大量封闭小泡孔的低密度泡沫。

泡沫填在杆件内部，杆件之间的大孔隙则保持开放。这样，钛合金骨架主要负责承载，内部泡沫帮助结构排开水、提供浮力，水仍能从骨架之间穿过 （图1）。

图1：可漂浮的钛合金复合晶格材料及浮标演示件。

上图：中空钛合金骨架内部填充聚氨酯闭孔泡沫，外部孔隙保持开放，复合晶格材料实现稳定漂浮。

下图：采用这一设计制备的浮标演示件，在海水容器中的涡流扰动下仍保持漂浮，无需外部密封壳体或辅助浮力装置；左上方红色结构为该浮标的数字模型。

判断能否漂浮，要看骨架密度

为预测这种结构能否漂浮，团队提出了“骨架密度”设计框架。其核心是：计算密度时，不把水能自由进入的外部孔隙算进去，只考虑金属壁和内部泡沫共同组成的骨架。

将这部分骨架的总质量除以其总体积，就得到骨架密度。当它低于周围液体的密度时，结构便具备漂浮条件。

实验结果与这一判断一致：未填充泡沫的中空钛合金晶格材料全部下沉；填充后，骨架密度低于淡水密度的复合晶格材料稳定漂浮，并持续漂浮超过两个月 （图1）。

骨架断裂后，为何还能浮？

研究人员还在压缩试验的不同阶段取出试样，重新放入水中。结果发现，即使杆件连接处开裂，乃至整层晶格材料断裂，试样仍能漂浮。

原因在于，泡沫内部包含大量彼此隔开的封闭小泡孔。金属骨架局部开裂后，水不会立即灌满整个内部空间，泡沫仍能保留足够的排水体积。因此，骨架受损并不意味着浮力马上消失。

不过，这种能力也有边界。继续压缩后，结构逐渐塌陷、压实，能够排开水的体积越来越小，试样最终下沉。研究表明，浮力丧失主要与结构被压实有关，而非裂纹导致的大规模进水。

少量增重，换来漂浮功能

引入泡沫带来的增重较小：填充后，晶格材料的整体密度仅增加约6%–7%，压缩力学性能变化不大，钛合金骨架仍承担主要载荷。

在天然海水中浸泡两周后，漂浮试样的质量损失约为0.15%，压缩屈服强度和峰值强度的平均下降幅度均小于1%。

团队还制备了一个高100毫米、宽85毫米的浮标演示件。在天然海水容器中，研究人员通过受控水体扰动测试其漂浮表现。浮标随水流绕自身中心轴转动约45°时，仍保持漂浮，无需外部密封壳体或辅助浮力装置（图1）。

从晶格材料试样到浮标演示件，这项研究展示了将承载、通水与漂浮功能融入同一结构的可能性，为海洋浮标及其他漂浮结构的设计提供了新思路。

论文信息

Jordan Noronha et al.，Breaking the Surface: Buoyant Metal–Polymer Open–Cell Hybrid Lattice Metamaterials，《Advanced Materials》（2026）。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.74641

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