根据3D科学谷的市场洞察，计算模拟方法，尤其是基于相图计算（CALPHAD）的方法，可以预测并筛选出具有所需微观结构和性能的潜在高熵合金。计算模拟工具，如CALPHAD相图计算、有限元法（FEM）、计算流体动力学（CFD）和分子动力学（MD）模拟，能够帮助研究人员精准预测材料的微观结构、力学性能和热物理特性，从而优化激光粉床熔融工艺参数。这些方法有效降低了试错成本，提升了打印质量。

本期，借助材料人的分享，本期3D科学谷与谷友共同领略3D打印高熵合金设计、制备、微观组织和性能的综述！尤其是如何通过多种计算模拟方法，加速合金的筛选与优化。

▲论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mser.2024.100834

3D科学谷洞察

“计算模拟在增材制造高熵合金中的作用是多方面的，它不仅能够加速新合金的发现和优化，还能深入理解材料的微观结构与性能之间的关系，为高熵合金的研究和应用提供了强有力的工具。”

 01【导读】

近年来，金属3D打印技术在制造复杂金属结构方面取得了显著进展，而高熵合金(High-entropy alloys, HEAs)凭借其卓越的机械、物理和化学特性，已成为金属增材制造领域的热门材料。由新加坡南洋理工大学的周琨教授团队撰写的最新综述，聚焦激光粉床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）技术在高熵合金领域的应用，系统总结了不同种类高熵合金的设计策略、粉末制备方法、打印态微观组织、性能表现以及潜在应用前景。
该综述以“Recent progress in high-entropy alloys for laser powder bed fusion: Design，processing, microstructure, and performance”为题，发表在材料综述的顶刊《Materials Science & Engineering R：Reports》上。文章旨在为研究人员提供宝贵参考，助力开发高性能高熵合金，推动这一新兴材料在增材制造中的应用与发展。

 02【内容简介】

高熵合金是一类新型合金，通过在接近等原子比的成分下混合多种主要元素，展现出优异的强度、韧性、耐腐蚀和抗辐射性能。相比传统合金，高熵合金具备更广泛的设计空间，适合应用于航空航天、能源和生物医学等高性能需求领域。然而，由于组成复杂与多元素混合带来的材料制备和稳定性问题，传统制造技术难以实现有效加工。激光粉床熔融技术凭借其高冷却速率、极致的几何设计自由度和可控的微观结构调控，为研究人员提供了克服这些挑战的有力工具。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

该篇综述将高熵合金分为七种类别：3d过渡金属高熵合金、共晶高熵合金、沉淀强化高熵合金、耐火高熵合金、亚稳态高熵合金、间隙高熵合金和高熵基复合材料 （如图1）。研究中详细分析了每种高熵合金在不同应用中的微观结构特征及其制造过程中的技术挑战。例如，通过激光粉床熔融制备的共晶高熵合金，具有优良的打印精度和机械强度，广泛应用于对力学性能和轻量化有极高要求的工程领域。

▲图1、激光粉床熔融高熵合金的设计分类

由于实验的高昂成本且耗时，文章总结了多种计算模拟方法，加速了合金的筛选与优化。综述详细介绍了多种计算模拟工具（如图2），包括CALPHAD相图计算、有限元法（FEM）、计算流体动力学（CFD）和分子动力学（MD）模拟。通过这些工具，研究人员能够精准预测材料的微观结构、力学性能和热物理特性，帮助优化激光粉床熔融工艺参数。这些方法不仅有效降低了试错成本，还显著提升了打印质量，为高熵合金的增材制造提供了可靠的理论支撑。

▲图2、计算模拟激光粉床熔融高熵合金的成分设计和工艺优化

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

高熵合金的微观组织对其性能具有决定性影响。激光粉床熔融工艺的高冷却速率使得高熵合金在打印过程中形成独特的微观结构。例如，3d过渡金属高熵合金通常形成单相面心立方（FCC）结构，展现出优异的强度和韧性平衡。此外，共晶高熵合金由于其特有的双相微观结构（如FCC和BCC相交替排列），在满足强度要求的同时提高了延展性。沉淀强化高熵合金通过在合金基体中形成精细的析出物，提升了材料的硬度和抗蠕变性能，非常适合高温应用。耐火高熵合金则展示了极高的熔点和优异的耐磨损性，在极端环境应用中表现突出。文章还指出，LPBF过程中的残余应力和热处理策略对于控制这些微观结构起着重要作用。

▲图3、激光粉床熔融各类高熵合金的拉伸性能总结

3D打印的高熵合金在强度和延展性平衡方面表现出色（如图3），使其在承受动态载荷和冲击时能够有效抵抗断裂。其强化机制包括析出强化、形变诱导相变等。在极端环境中，耐火高熵合金的高熔点和热稳定性表现尤为突出，适合应用于高温结构部件。共晶高熵合金因其双相结构和较好的导热性，适用于对热管理要求较高的应用场合。此外，间隙高熵合金由于添加了碳、氮等小原子元素，提升了材料的硬度和耐磨性，在高磨损条件下表现优异。高熵合金在腐蚀和辐射等严苛环境下同样表现出色。例如，3d过渡金属高熵合金的多元素混合效应（如惰性保护效应）提升了其耐腐蚀能力，适合于海洋和化工领域的腐蚀性环境。研究还发现，LPBF工艺中的高冷却速率有利于抑制有害相的析出，从而增强了材料的耐辐射性能。这些特性使高熵合金在极端应用环境中具备巨大的应用潜力。

▲图4、激光粉床熔融高熵合金的工业应用前景示例

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

综述中还讨论了激光粉床熔融制备的高熵合金在能源、航空航天和生物医学领域的广泛应用（图4）。例如，3d过渡金属高熵合金适用于制造航空器零部件的制造，共晶高熵合金则适合用于生物医学植入物的个性化定制。未来，随着计算模拟技术和机器学习的成熟，高熵合金的开发速度将进一步加快，这将为增材制造技术在高性能材料领域的应用开辟更多可能。

 03【团队介绍】

新加坡南洋理工大学周琨教授课题组依托于惠普-南洋理工大学数字制造联合实验室和新加坡3D打印中心，长期从事多种增材制造技术（3D打印）研究。目前聚焦于功能聚合物复合材料及高性能新金属材料研发、先进结构设计和多尺度模拟仿真、增材制造零件宏微观力学性能表征及其应用等。

来源
材料人 l

南洋理工周琨团队顶刊综述：3D打印高熵合金

链接
https://doi.org/10.1016/j.mser.2024.100834

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当然，数米级设备并非意味着设备越大越好，如何实现经济效益的平衡，如何实现质量管理的高要求，在这方面，铂力特的BLT-S825诠释了设备体积减小，成形精度提高的能力进阶。

本期，3D科学谷与谷友近距离了解铂力特BLT-S825是如何重新定义大尺寸零件制造成本效益性价比的。

▲ BLT-S800系列
© 铂力特

 光曜九霄，折桂登高

2021年TCT，铂力特重磅推出面向航空航天发动机回转体结构零部件制造的十激光设备BLT-S800。依托铂力特西安总部智能制造工厂40余台BLT-S800连续多年稳定运行经验，铂力特于2023年推出聚焦于大尺寸长轴型零件的平台化方案BLT-S815，成形高度增加至1500mm，并在同年TCT上推出BLT-S800全新 20光方案。经过进一步的进行技术研发与迭代优化，铂力特于第十五届中国航展首发针对超高尺寸零部件一体化制造的数米级24光设备BLT-S825。

BLT-S825的成形尺寸为850mm×850mm×2500mm（W×D×H），净成形高度突破2.5m，满足超高尺寸零部件一体化成形需求。BLT-S825设备经过工程化应用检验，其最新工程化应用概念设计案例“吊挂”也亮相航展铂力特展位。

吊挂为大尺寸框架类零件，以往多由铸造、焊接的方式制造，随着零件尺寸的增加，利用压铸机及模具一体式压铸成形的难度与成本也大大增加。铂力特对吊挂零件机进行了结构优化设计，采用了大量的镂空结构，选用了重量低强度高的BLT-TA15钛合金材料，在保证功能性与强度的前提下大大降低了零件重量，实现了大跨度的连接功能。吊挂零件尺寸为500mm×200mm×2350mm，利用BLT-S825设备一体成形，体现出设备的工艺稳定性。

▲高度超2m的吊挂

01 24激光配置，成形更高效

BLT-S825配备有24个激光器，相当于在400mm幅面设备上布置六激光，BLT-S825支持100μm大层厚打印，最大成形效率可达870cm³/h，成形更高效。

BLT-S825搭载的BLT-BP可实现超高尺寸零部件的一次性高效剖分，缩短打印前的剖分时间和准备时间。以某高度2.4m零件为例，零件的剖分数据量为32.56G，而剖分用时仅1.5小时。

BLT-S825沿用了大尺寸设备单刮刀双向变速铺粉策略，解决了大型设备双刮刀调平费时费力的问题。在打印过程中，BLT-S825可智能识别零件轮廓调整铺粉速度，实现多段变速铺粉，单层铺粉效率较定速铺粉可提高近30%。最终，利用BLT-S825成形该零件的时间仅9天。

02 成熟方案再升级，确保成形质量

铂力特分别于2023年TCT展示了20光BLT-S800-配合顶部吹风的方案， 2024年TCT展示了20光BLT-S800现场20光同步出光打印。第十五届中国航展的现场也带来了16光BLT-S600光配合顶部出光的吹风方案，现场高效打印。

BLT-S825沿用铂力特成熟的光学方案和顶部吹风方案，可实现4排光同时出光高效成形。BLT-S825气密性良好，工作进气消耗低于10L/min，设备配置的顶部吹风方案，风场均匀性高，镜头洁净保持超700小时，成形更稳定。以吊挂为例，BLT-S825可实现吊挂零部件的一炉多件打印，成形零件一致性高，不同区域零件各项性能指标偏差5%以内。

BLT-S825成形高度超高，深径比将近3：1，传统拼缸方式生产的成形缸变形风险高，在成形过程中更容易造成成形平台精度丢失，进而造成零件加工尺寸超差。铂力特对成形缸进行了结构优化设计，在加固缸体的同时，实现缸体大幅减重，优化后的缸体通过3D打印技术一体成形，保障了成形缸的强度和制造一致性。此外，BLT-S825内部广泛经过优化设计的金属3D打印设备件，提升了设备集成度与耐用性。

铂力特从2017年开始储备超高Z轴的设计经验，先后开发了BLT-S515、BLT-S615、BLT-S815、BLT-S1000等成形高度高达1.5m的设备。基于200余台高成形高度设备的长期运行经验，不断迭代，铂力特于2023年设计开发出成形高度高达2.5m的装备。

BLT-S825设备沿用铂力特多年积累和优化迭代的成形平台设计经验，使用双轴伺服驱动配合高精度光栅尺实现成形平台的闭环控制。在保证超高成形尺寸、运行精度的同时，铂力特设备研发团队控制设备整机高度，设备的外形尺寸高度仅5.5米，满足一般厂房的装机要求。

BLT-S825配置了高品质质量监控系统，包括BLT-铺粉检测、BLT-三维重建、BLT-视频监控等，可以实现打印过程中关键参数监控、图像采集、数据分析和全程视频监控，便于过程干预与事后质量追溯。

03 成熟配置，助力连续生产

BLT-S825配备并联长效过滤系统，在打印过程中当前工作滤芯达到清灰条件时，可以实现自动反吹清洁，并自动切换另一组滤芯继续打印，实现真正的连续不间断运行；灰渣桶等配置采用安全设计，可以在惰性氛围下湿化处理，实现不停机安全更换灰桶，有效避免滤芯反吹清洁和灰渣桶处理导致的停机风险，满足大尺寸设备连续生产的需求，提高制造效率，降低制造成本。

BLT-S825可配备集成式或分体式粉末循环系统。集成式粉末循环方案一套系统实现打印过程中的自动粉末回收、筛分和供应，更有效实现资源配置，降低成本与能耗；分体式粉末循环系统支持一对多灵活配置，满足多样生产需求。

▲集成式粉末循环系统

▲分体式粉末循环系统

04 安全冗余设计，生产过程更安全

BLT-S825沿用设备整机安全冗余设计，构建了全面的安全防护体系。设备采用整机防爆设计，搭配双氧含量检测系统与压力传感器的冗余设置，可以进行全方位氧含量、压力和温度监测，并在检测到超压时自动安全泄压。过滤器、粉末循环系统、取件舱等子模块均具备独立的氧含量、压力、温度检测，全面监测保证整机系统安全运行。BLT-S825具备氩气洗气安全互锁机制，避免氧气意外进气和氩气泄漏，在保证安全生产的同时确保人员操作安全。

BLT-S825设备配备密封性取件舱，在连接BLT-WL400或BLT-XH300后,通过配套的多工位和手套箱，可以实现满高度2.5m的零件在惰性气氛保护下清粉捞件。实现人粉隔离，和惰性气体保护下的高效粉末回收。

光曜九霄，折桂登高！铂力特研判空天领域用户创新发展的需求、尽心护航、用心服务，航空航天领域对大型、高性能的金属构件需求不断增长，数米级增材制造设备能够制造一体化、复杂结构的零部件，满足轻量化和高性能的需求BLT-S825应运而生。

重新定义中国企业在增材制造领域的国际竞争力，铂力特于珠海航展（2024年11月12-17日）H5B12展位现场展示BLT-S825的工程化应用创新概念案例，全方位诠释BLT-S825在空天零部件“大”、“优”、“特”、“精”等方面的工艺技术能力。

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根据3D科学谷的市场研究，铂力特S600在全球市场的竞争优势主要体现在技术创新、产品质量、市场认可、研发实力以及产业链布局等方面，这些优势使得铂力特能够在激烈的国际竞争中占据重要位置。

2024年11月12日珠海航展期间铂力特宣布其BLT-S600再升级！升级后的BLT-S600设备因其高精度、高效率和大尺寸成形能力，在航空航天、汽车、医疗、消费电子和学术科研等多个行业奠定了更强的应用潜力。

本期，3D科学谷与谷友近距离了解铂力特BLT-S600实现了哪些显著改进，来深度理解这款设备如何能够更好地满足大尺寸零件批量生产的需求。

▲ BLT-S600
© 铂力特

 提质提效，实力出圈

铂力特于航展现场隆重发布升级款BLT-S600设备。作为铂力特技术精粹的集中体现，升级款BLT-S600不仅继承了前代产品的高效稳定特性，更在多个维度实现了突破性升级。

自2014年研发启动以来，BLT-S600型设备（BLT-S600/S615）凭借出色表现在金属增材制造领域奠定了坚实基础。2016年航展，BLT-S600打印的首个工程化应用零件——航空发动机机匣成功亮相，成为当时世界上最大的回转体型设备。

如今，历经多次优化迭代，BLT-S600型设备全球装机数百余台，广泛应用于航天航空、发动机、汽车等领域，助力行业客户实现复杂大尺寸高精零部件的快速、优质、安全、智能批量制造。

看点一：大幅面多光束，打印效率升级！

BLT–S600此次成形尺寸扩大至650mm×650mm×850mm（W×D×H），成形体积增至原1.66倍，可满足更大尺寸零件的制造需求。同时，升级版BLT–S600的激光器最高可配置16光，整体效率较4光束提升3.45倍，为大型金属部件高效高精度制造提供强大支撑。

© 铂力特

此外，BLT–S600采用的是铂力特专利的单刀双向铺粉技术，成倍缩短刮刀安装调平时间，且能根据零件轮廓智能制定铺粉策略，实施多段变速铺粉，较传统定速铺粉方式提高效率近30%，实现铺粉质量与效率双提升。

看点二：一体打印成形缸，生产可靠性升级！

BLT-S600采用3D打印一体成形的成形缸，并经过结构优化，显著增强了缸体强度，有效规避拼缸带来的密封性差和力学性能削弱问题。并且设备的成形平台具备100℃均匀预热与精确控温能力，防止缸体受热变形，为设备生产的稳定性与安全性提供有力保障。

▲ BLT-S600成形舱内部
© 铂力特

BLT-S600内部广泛采用高强度、耐腐蚀的金属打印件，不仅提升了设备集成度，更在复杂工业环境中展现出卓越的可靠性和耐用性。

看点三：智能检测功能，成形质量升级！

BLT-S600融入了多项智能化技术以提升成形质量，包括铺粉检测、扫描检测及生产监控等，为全过程质量控制与追溯提供数据基础。

铺粉检测功能可以智能识别并处理异常情况，常规生产工况中，缺粉检出率可达到99%以上。BLT-S600已配备升级后的缺陷检测自学习平台，可支持用户根据生产场景自主训练识别模型，更智能地保障生产质量。扫描检测功能通过逐层扫描和三维重建技术，可快速准确地定位高风险区域，保障零件成形精度与一致性。生产监控功能不仅能实时收集数据，还能自动录制监测成形室画面，进一步提升生产过程的透明度和可追溯性。

看点四：省气省粉自循环，经济环保升级！

BLT-S600凭借多项高效节能设计引领行业绿色趋势。相较于市面同类产品，BLT-S600气体消耗显著降低：在工作压力状态下，进气量低于5L/min。同时，其镜头洁净时长高达700小时，为连续成形保驾护航。BLT-S600采用了阻燃材质的长寿命过滤系统，可在打印过程中自动反吹清洁，其过滤面积与成形幅面、光学数量相匹配，实现最大化资源利用。经过方案优化，过滤系统可以有效避免滤芯反吹清洁和灰渣桶处理导致的停机风险，可确保连续打印，减少经济与人力损失。

在粉末的自动循环利用方面，BLT–S600也展现了出色的兼容性，可供用户根据生产场景搭配分体式或集成式粉末循环系统。分体式系统支持一对多灵活配置，节省空间；集成式系统则高度集成，可实现一机筛分、回收、供应等功能，避免了多机协作的能耗与资源分散问题。

看点五：人机交互友好，安全便捷升级！

升级版BLT-S600深度优化人机交互的友好性与安全性，进一步提升用户体验。设备的气路柜门升级为透明观察窗，用户无需开门即可直观监控气路面板数据。取件舱则采用了脚踏式Z轴升降控制，让取件与清理更加流畅从容。同时，BLT-S600配有折叠式触摸显示屏，其收纳友好设计不仅节约空间资源，也赋予用户更多的自主性与舒适度。除主机外，其配套粉末供应设备同样支持远程控制，真正做到为劳动者减负、增效、保安全。

通过智能化软硬件协同，BLT-S600将生产流程化繁为简，大幅增强作业效能。设备支持一键式操作，包括打印准备、打印件进出舱、振镜自动校正、粉末循环等功能。其中，设备采用的BLT-AutoCAL（铂力特多振镜自动校正产品）校正精度可达到0.05mm以内。搭配使用BLT-MES系统，用户可将零散生产环节串联成一条高度集成的智能链路，为打造现代化的“黑灯工厂”提供强有力的支持。

铂力特秉承以人为本的设计理念，用实力守护劳动者职业健康。BLT-S600设备涉粉区域均采用优选防爆元器件，搭配氧含量检测系统，确保惰化环境稳定，在拓宽材料加工范围的同时有效规避爆炸风险。其激光防护玻璃与安全互锁机制能有效防止激光外泄，保护人员免受辐射伤害。此外，急停开关、接地保护、压力及温度监测等安全设计相辅相成，共同为使用者筑起一道坚不可摧的安全防护体系。

更高的生产效率、更好的打印质量、更低的运营成本以及更安全的操作环境，使得BLT-S600升级款成为性价比之选。本次航展BLT-S600将在现场实时打印，更多关于BLT-S600的精彩看点，等待用户来H5B12展位发现！一起携手让制造更简单，让世界更美好！

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根据3D科学谷的市场研究，在数米级设备的性价比、效率、稳定性方面，中国已经率先取得了世界领先的突破。本期，通过铂力特为珠海航展准备的一系列实力展现，3D科学谷与谷友一起来深度领略国内在这方面的独特之处。

▲ 铂力特实力亮相珠海航展
© 铂力特

 产业链协同，为空天制造赋能

2024年11月12日至17日，铂力特将第六次亮相中国航展。本次航展，铂力特将展示在航空航天产业链配套和工程化应用方面的成果，以及铂力特在多个领域的创新应用与前沿技术亮点。

铂力特现已构建较为完整的金属增材制造产业链，更好实现资源配置与产业链协同。铂力特的产业化项目三期（金属增材制造产业创新能力建设项目）项目、四期（金属增材制造大规模智能生产基地项目）项目，将有效提升公司金属增材定制化产品、原材料粉末、装备制造等的产能，加快成为具备全产业链创新能力的增材制造产业优势企业。目前四期E地块预计2024年11月竣工。

在原材料方面，铂力特推出多款适合航空航天领域的可成形材料，增强对定制化产品的快速反应能力。在设备方面，铂力特设备矩阵满足空天领域各类零部件研制、批产需求，实现产业链的提质与降本增效。在定制化服务方面，铂力特不断增加服务要素比重，为航空航天预研、预制、批产等多样需要保驾护航。在数字化技术方面，铂力特智能产线管理系统BLT-MES可以做到制造全链路的管理与监控，有效实现产业链上下游信息流通与资源整合。2023年，BLT-MES获评工信部工业互联网+大数据试点示范项目。

本次航展，铂力特展示了涵盖粉末原材料、设备、打印服务等多个方面的金属增材制造智能产业链，并通过BLT-MES对生产全流程进行管理与监控，带您沉浸式体验面向未来的空天金属增材制造智能工厂。

 研判空天客户需求，重磅设备新品首发

国内航天航空产业的发展正不断加深金属增材制造技术在先进装备研发和批产中的应用程度。铂力特充分研判空天领域客户需求，带来重磅新品的诚意发布：

1. 成形尺寸再突破，数米级设备航展首发，更有及其超大工程化应用案例现场亮相，为空天零部件研制、批产需求提供新方案

2. 稳定生产设备再升级，更多激光方案更好助力规模化批量生产降本提质增效

 空天领域工程化、批产化应用展示

空天应用展区聚焦于航空航天领域的工程化应用与批量化生产，展示铂力特如何通过久经工程检验的技术积淀与全面稳定的解决方案，满足空天领域对高性能、高效率、低成本制造的高要求。

 前沿领域创新案例，彰显金属增材制造应用深度

多领域创新应用展区综合了铂力特在飞行汽车、电子、机器人、光电控制、工业阀体、刀具、新型散热器、运动消费品、时尚消费品等多个前沿领域的创新应用，彰显了铂力特金属增材制造解决方案在多领域应用深度与广度的扩展。

 技术展品展示创新性探索成果

创新技术展区汇聚了众多技术亮点展品，包括大层厚方案、设备零部件创新设计、极小曲面结构、精细打印等，全面展示了我们在金属增材制造技术创新的最新成就和前瞻性探索成果。

 十年蜕变，领航金属增材制造大生产时代

2014年首次亮相中国航展，铂力特首台自主研发的金属3D打印设备及多型航空航天工程化应用案例；

2016年中国航展，铂力特设备工艺能力再突破，创新性展示了“大”、“优”、“特”、“精”的工艺技术水平，更是发布当时世界上最大的回转体结构和长轴类零件，走在世界前列；

2018年，铂力特三赴中国航展，展示设备、工艺技术、软件等全产业链能力的最新成果，让空天客户感受金属增材制造技术“做得出、用得起”的无限可能；

2021年，铂力特提出金属增材制造正在迈入“大生产时代”。多型金属增材制造空天领域批产案例及批量生产解决方案亮相航展，引领空天零部件制造降本、提质、增效新趋势；

2022年，铂力特全面展示在空天零部件设计迭代、研制加速、降本增效的工艺技术能力；全套产业链水平进一步增强，展示打造面向未来的金属增材制造智能制造工厂方案。

十年间，铂力特不断突破技术壁垒，优化工艺流程，推动金属增材制造从技术探索走向产业化应用再走向智能产线建设，领航金属增材制造大生产时代，开启空天制造的新篇章。

 顺应趋势，引领发展

根据3D科学谷的市场洞察，中国在大幅面打印设备方面具有明显优势，有望成为中国企业在增材制造设备出海方面的突破口，这对于航空航天制造领域来说，意味着更强的国际竞争力，铂力特在这一方面做出了行业表率。

与传统加工相比，增材制造有效避免了材料浪费的问题，材料利用率可达95%，这一点对于资源节约和环境友好型生产具有重要意义。当前，增材制造技术面向航空航天、轨道交通、新能源、新材料、医疗仪器等战略新兴产业领域已经展示了重大价值和广阔的应用前景，其中，随着空间探索向更远、更深的领域延伸，对航天装备的可靠性提出了更为严苛的要求，数米级设备制造的部件可以满足这些高可靠性的需求。不久的未来，增材制造将成为支撑国家重大需求、支撑国民经济发展的“国之重器”。

正心明道，行稳致远！铂力特肩负使命，积极进取，让制造更简单，让世界更美好！

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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日前，南京理工大学材料科学与工程学院的兰司教授课题组联合28个单位、67位作者在Rare Metals上发表了题为“Frontiers in High Entropy Alloys and High Entropy Functional Materials”的研究文章，根据材料的特性和分类，从高熵合金结构材料、高熵合金功能材料、高熵功能材料三个方向重点介绍了相关领域的背景、应用及最新发展，并分析了当前面临的研究挑战和未来的发展前景。借助稀有金属rarematerials的分享，本期3D科学谷与谷友共同领略关于包括3D打印等制造技术在内的高熵合金和高熵功能材料的前沿研究进展

▲论文链接：https://doi.org/10.1007/s40820-020-00483-5

▲ futureAM
© 3D科学谷白皮书

3D科学谷洞察

高熵合金和高熵材料的研究和应用领域正在蓬勃发展，它们代表了材料科学的研究模式转变，为材料设计引入了一种打破传统原则的新方法。这些材料有潜力发展为具有定制属性的高性能材料，革新各个行业，推动技术、工程和可持续发展的进步。增材制造技术，因其高冷却速率、极致的几何设计自由度和可控的微观结构调控，为高熵合金的制造提供了新的可能，增材制造技术能够有效地抑制成分偏析、细化晶粒，并在晶粒内部形成独特的亚结构，如胞状组织等，从而提高材料的强韧性、硬度和耐磨性。”

 摘要

高熵合金（HEAs）和高熵材料因其卓越的性能而具有广阔的应用前景和研究潜力。本课题将分五个部分全面概述该领域的最新进展。第一部分介绍了高熵合金的背景，包括其定义、意义、应用前景、基本特性、设计原则和微观结构。随后的章节重点介绍了前沿的高熵合金结构材料，重点介绍了纳米结构合金、晶界工程、共晶体系、低温合金、薄膜、微纳米晶格结构、增材制造、高熵金属玻璃、纳米沉淀强化合金、成分调制、合金纤维和耐火体系等方面的发展。下一部分的重点转向高熵合金功能材料，探讨作为催化剂、磁热材料、耐腐蚀合金、储氢系统和生物医学材料的高熵金属。此外，论文还探讨了合金领域以外的高熵功能材料，包括热电材料、量子点、纳米氧化物催化剂、储能材料、负热膨胀陶瓷和高熵吸波材料。论文最后进行了展望，讨论了该领域的未来发展方向和潜在研究领域。通过这篇全面的综述，研究人员、工程师和科学家可以深入了解高熵合金和高熵功能材料的最新进展和进一步研究机会。

 主要内容

1. 高熵合金背景

在早期阶段，高熵合金（HEA）最初被定义为由五种或五种以上元素组成的合金，其成分通常为等摩尔或接近等摩尔，各主要成分的含量范围在 5at.% – 35at.% 之间。随着研究的深入，学界逐渐利用混合构型熵来定义高熵合金。混合构型熵的升高赋予了高熵合金一些独特的属性，如严重的晶格畸变、缓慢扩散效应、鸡尾酒效应和高熵效应。通过合理的合金设计和热处理工艺可以提高高熵合金的强度和延展性，如利用易变工程诱导转变诱导塑性、通过添加间隙原子引入有序氧复合物以及诱导多级共格析出物等。高熵合金在强度和延展性之间的出色平衡使其适用于各种领域所需的高强度结构材料。此外，高熵合金还具有优异的低温性能、高温强度和稳定性、催化特性、超导性、磁性能和耐腐蚀性，这些出色的特性使得高熵合金有望在航空航天、能源、电子和汽车等行业得到广泛应用。

图1 高熵合金的发展历史

在早期的 HEAs 研究中，人们成功开发了多种类型的单相 HEAs，如 FCC、BCC 或 HCP 结构。除了单相固溶体外，许多 HEA 还表现出多相结构或金属间化合物相，如 L12、B2、Laves 相等。这些独特的微观结构和局部化学有序性影响着HEAs 的机械性能、热导率、导电性、磁性能和化学稳定性。全面了解HEAs的微观结构是优化其机械和物理性能的先决条件。在过去的几十年里，研究人员已经意识到，HEAs在跨尺度观察中表现出丰富的微观结构，即在原子尺度上，它们表现出化学和拓扑有序性，从而产生复杂的局部结构；在纳米尺度上，可以观察到相分离和纳米级析出物；在介观尺度上还具有包括树枝晶、共晶或网络结构的特征结构。

图2 高熵合金的跨尺度微观结构

2.作为尖端结构材料的高熵合金

高熵合金作为尖端结构材料，通过不同的工艺可以制备出不同形式种类的高熵合金，它们拥有各自不同的结构性能。本章详细介绍了在纳米结构、晶界工程、共晶、低温等领域的研究进展，并提及机器学习对材料设计方面的指导作用。

2.1纳米结构HEAs

纳米结构高熵合金（nc-HEA）的微观图示如下图所示。制备nc-HEA主要通过机械合金化、高压扭转、磁控溅射和惰性气体冷凝蒸发法，其中机械合金化是最流行的方法。nc-HEA具有高硬度、良好的热稳定性和优异的功能特性。

图3从单晶金属到纳米晶金属再到纳米晶高熵合金

2.2晶界工程HEAs

HEA在克服强度-延展性权衡并获得各种优异的功能特性方面取得了相当大的进展，但对于目前大多数等轴多晶HEA来说，与晶界相关的脆性问题仍然限制了它们的工业应用，例如中间温度脆化、晶界不稳定性和氢脆，所以高熵合金晶界工程专门设计用于优化晶界的特性和行为，这可以显着影响材料的强度、延展性和耐腐蚀性。

图4 通过在 L12 强化 HEA 中构建异质晶界结构避免中温晶间脆性

2.3共晶HEAs

共晶高熵合金（EHEA）结合了高熵合金和共晶合金的特点，由于其优异的铸造性和机械性能成为金属材料的研究热点。EHEA的设计策略包括混合焓策略、简单混合策略、伪二元策略等。已报道的FCC和BCC结构EHEA的典型显微组织特征如下图。

图5报道的EHEA的共晶形态

2.4低温HEAs

高熵合金在低温下也具有优异的机械性能，尤其是CrCoNi基高熵合金，表现出较高的拉伸强度、延展性和断裂韧性等，这归功于其较低的堆垛层错能（SFE）。低SFE会激活额外的变形机制，如堆垛层错、纳米孪晶甚至相变，从而提高了合金的机械性能。

图6 CrMnFeCoNi在295K、140K和15K变形时的原位中子衍射结果

2.5 HEAs薄膜

高熵合金薄膜（HEATFs）具有高纳米硬度和弹性模量、优异的耐磨和耐腐蚀性、良好的生物相容性以及出色的电学和磁学性能。制备方法包括磁控溅射、激光熔覆等，磁控溅射因其快速、高纯度而被广泛应用。由于晶粒尺寸小、晶界数量多以及严重晶格畸变等因素，HEATFs的机械性能明显优于大块样品。

图7 多靶共溅射制备 Zr-Al-Ti-V-Cr MCA 的原理图

2.6微纳晶格HEAs

晶格结构具有高强度重量比、低膨胀系数和大表面积等特性，在热交换、机械阻尼和能量吸收等方面发挥关键作用，其性能取决于拓扑结构和材料组成。高熵合金通过与晶格结构相复合实现轻质且耐损伤的金属结构材料，具有高强度、高能量吸收和可调杨氏模量等优点，工程应用前景广阔。

图8 微纳晶格HEA的制作方法

2.7 增材制造HEAs

增材制造（3D打印）在构建高熵合金方面具有优势，可以通过逐层打印的方式构建复杂的几何形状，为制造复杂形状或大型高熵合金提供便利。增材制造的快速冷却能力有助于细化HEA的微观结构，进而提高机械性能。目前主要采用激光粉末床熔融（LPBF）、激光工程净成形（LENS）和电子束熔融（EBM）等方法进行增材制造HEAs。

图9 增材制造制备的AlCoCrFeNi2.1共晶HEA的显微结构和机械性能

2.8高熵金属玻璃

金属玻璃是通过快速冷却合金熔体并绕过了结晶过程，最后形成玻璃态。高熵金属玻璃的形成规则取决于元素类型、混合焓和原子尺寸比，原子尺寸比大且负混合焓高的体系更容易形成高熵金属玻璃。高熵金属玻璃具有高强度、硬度和耐磨性，以及良好的生物相容性、磁热和催化性能。但由于无序结构缺乏位错和晶界，限制了塑性变形。此外，近年来在高熵金属玻璃体系发现了反常的液液相变和相分离现象，这为学界研究液体结构和相变提供了一个全新的模型体系。

图10 高熵金属玻璃的液-液转变

2.9纳米沉淀强化HEAs

为了增加高熵合金强度，研究人员通过控制合金添加元素和热处理来实现沉淀强化。沉淀强化的效果取决于沉淀物的微观结构，包括类型、尺寸、体积分数和空间分布。在高熵合金中，根据其与基体的界面结构分类，析出物可大致分为共格析出物和非共格析出物两类。L12 有序Ni3Al 型共格析出能够平衡FCC HEAs的强韧性，σ、μ、η、Laves 和 Heusler 相等非共格析出物也可用于增强 HEA 的强度。

图11 FCC/L12 纳米薄片合金的力学性能和微观结构

2.10成分调制HEAs

高熵合金在纳米尺度上具有成分不均匀性，表现为化学短程有序结构或随机成分波动。这些不均匀性导致了局部原子键结合的变化，从而影响位错的分离，导致位错在位错线的特定位置解离。因此，高熵合金的变形机制得到了调控。研究的重点主要关注如何在HEAs中精确控制成分的不均匀性，并确定其对缺陷运动行为和材料属性的影响。

图12 FCC 晶体结构中的成分调节异质性

2.11 HEAs纤维

HEAs纤维具有高强度、高塑性、高加工硬化能力，适用于极端环境下的先进工程应用。制备方法有冷拉法、热拉法和玻璃涂层法，每种方法有各自优缺点。调整纤维直径、引入第二相等方式可控制HEAs纤维的力学性能。

图13 (a)冷拔法和(b)玻璃镀膜法示意图

2.12难熔HEAs

难熔高熵合金（RHEAs）得益于迟滞扩散效应以及元素之间的强结合力，在 1000℃以上表现出比传统镍基超级合金更好的机械性能。RHEAs 主要由一些熔化温度较高的元素组成，包括 Ti、V、Cr、Zr、N、Mo、Hf、Ta、W 等。除此之外，一些熔点相对较低的金属/非金属元素也参与了合金设计，以降低合金的密度或改善其高温力学性能和抗氧化性能，如 Al、B、C、Si、O、N 等。间隙强化和变形强化常被用来调整RHEAs的机械性能。

图14 NbMoTaW 和 VNbMoTaW HEA 以及两种超级合金（Inconel 718 和 Haynes 230）屈服应力的温度依赖性

2.13通过机器学习预测高性能高熵合金HEAs

机器学习具有强大的学习能力和高效的计算能力，与其他理论模拟方法相比，机器学习可以更有效地预测高熵合金。机器学习在高熵合金模拟或预测中的典型工作流程主要包括四个部分：任务、经验、算法和性能指标，如下图所示。机器学习中的不同主要任务包括分类、回归、集群、关联和降维。不同的应用场景对应的下游任务也不同。

图15（a）人工智能（AI）、机器学习（ML）和深度学习（DL）之间的示意性关系;(b) 用于模拟或预测高熵合金的机器学习工作流程

3 高熵合金作为尖端功能材料

3.1 高熵合金电催化

在电催化领域，高熵合金被认为是具有优异催化性能和化学稳定性的潜在催化剂。研究表明，高熵合金在水裂解、氧化还原反应和甲酸氧化等方面表现出优异性能，具有广阔的应用前景。高温热冲击技术可实现高熵合金材料的高效合成，通过高温热冲击合成的高熵材料展示了优越的电催化活性和稳定性，有望推动电催化剂的结构工程和性能优化。

图16 纳米海绵状 PdPtCuNiP HEMG的制备过程及性能图。

3.2 磁热高熵合金

HEAs提供了改善磁热材料性能的新途径，具有可调的工作温度范围和优异性能。最新一代磁热HEAs采用属性导向策略设计，能够显著提高磁熵变化并减少热滞后，展现了高熵合金在磁热材料设计方面的巨大潜力。

图17 在科学网络上同时包含“高熵”和“磁热量”的年度出版物和引用文章的数量（截至2023年的调查）

3.3 耐腐蚀高熵合金

HEAs因其高熵效应导致的化学均匀性、含耐蚀元素多和形成复合氧化物膜等特点，在耐腐蚀性方面相较传统合金展现出独特优势。其耐腐蚀性受合金成分、微观组织和环境等因素的影响，其中铝含量的增加可能降低耐腐蚀性，而Cr、Mo、Ni和Co、Ti、Rare Earth适量添加则有助于提高耐腐蚀性。HEAs的微观结构，包括单相结构、细粒度结构和非均质晶粒结构，对其耐腐蚀性也有重要影响。因此，深入研究合金成分和微观结构对HEAs耐腐蚀性的影响对于设计更耐腐蚀的HEAs至关重要。

图18 HEAs与其他传统耐腐蚀合金在 0.5 M H2SO4 溶液中的腐蚀电位和腐蚀电流密度

3.4储氢高熵合金

HEAs作为一类具有宽泛成分范围和简单晶体结构的新型合金，提供了许多调节氢存储性能的可能性。BCC型高熵合金和轻质高熵合金在存储容量方面有很大优势，但仍需要严格的条件才能释放更多氢气。而拥有Laves相的高熵合金可以在室温下可逆吸收和释放氢气，但存储容量还不够高。未来研究可能聚焦于不同的合成过程，结合高熵合金的广泛成分组成，以及探索非晶态或纳米晶态的高熵合金材料，以开发高效的储氢材料。

图19 储氢HEAs的一些储氢特性。

3.5 生物医学高熵合金

目前临床应用的金属材料主要包括Ti、Zr、Nb、Ta等元素，TiZrNbTa HEA作为新型生物医学材料具有优异生物相容性和力学性能，有广泛应用前景。增材制造技术为制备HEAs提供了优势，有望满足医用定制需求。

图20 TiZrNbTa HEAs的力学性能和生物相容性。(a)拉伸曲线；(b)压缩曲线；(c)Young模量、拉伸屈服强度和拉伸延性；(d)TiZrNbTa HEAs与传统生物医学金属材料的磁化率比较。

4 功能性高熵材料

4.1 铁电/压电

通过增加局部结构的无序性高熵铁电材料能够提高极化的灵活性和可调性能，从而增强其压电性、电致伸缩应变和储能性能。高熵陶瓷展现出异常高的压电系数，而高熵策略在非钙钛矿材料中的应用可显著提高储能密度和电热性能。此外，高熵材料在薄膜材料的储能能力提升方面展现出巨大潜力，为设计高性能铁电材料提供了新的途径。高熵电热聚合物在低电场下表现出显著的电热性能，具有潜力用于芯片冷却和热泵等领域。

图21 高性能高熵铁电材料的潜在应用场景

4.2 热电

高熵热电材料通过增加电子传输效率和降低热传导率来实现高热电转换效率，具体包括通过增加溶质原子的溶解度、利用熵工程提高晶体对称性、以及通过增加原子结构无序性降低热导率等策略。此外，高熵合金的高机械硬度也为提高热电器件的稳定性和使用寿命提供了可能。

图23 熵驱动的高热电性能和机械硬度

4.3 纳米氧化物催化剂

高熵氧化物基于其独特的高熵效应、晶格畸变等特性，在电化学领域展现出显著的应用潜力，尤其是在催化活性和耐久性方面。通过使用过渡金属如Ni、Fe、Co等，以及掺杂N、P、S等元素，可以进一步增强其电子结构的可调性和催化性能。与传统贵金属基催化剂相比，高熵氧化物提供了一种非贵金属催化剂的可能性，特别是在水电解催化、醇氧化反应、二氧化碳还原反应等方面展现出优异的性能。此外，磁性高熵氧化物在氧化脱硫等反应中也表现出良好的活性和再生性，显示了其在多领域的广泛应用潜力。

图24 催化中高熵氧化物应用示意图

4.4 储能材料

高熵（HE）阳极和阴极材料因其多样性和特殊的扩散和晶格特性，展现出优异性能。HE材料在电池中的应用包括改善层状过渡金属氧化物阴极的循环稳定性和库仑效率，开发具有高能量密度的阳离子有序岩盐阴极，以及通过高熵策略提高普鲁士蓝类似物和金属氧化物阳极的性能。

图25 HE岩盐阳极Mg0.2Co0.2Ni0.2Cu0.2Zn0.2O 的结构示意图

4.5 负热膨胀陶瓷

高熵概念融入负热膨胀材料设计，可提高负热膨胀性能和其他性能。例如高熵稀土基钼酸盐陶瓷具有优异的高温负热膨胀性能和降低吸湿性，主要原因在于高熵效应带来晶格无序性，缓解水分子扩散问题。目前学界对高熵负热膨胀材料的研究仍然不够全面，后续需大量研究工作跟进。

图26 （a) HE-RE2Mo3O12的晶体结构。(b)一些NTE材料基于不同温度范围内的平均实验体积CTE。(c)ZMAFCMW溶液的相对长度变化。(d)不同x值下预测PTT与测量温度的比较

4.6 高熵波吸收材料
通过高熵组分设计，高熵陶瓷能够同时优化两种损耗机制，实现具有强吸收能力和宽吸收带宽的高性能吸波材料。高熵陶瓷吸波材料的制备方法简单高效。与单相材料相比，这些高熵陶瓷材料展现出更优异的高温热稳定性、抗氧化性和吸波性能，使其成为高温吸波应用极具前景的选择。

图27 三种基于高熵陶瓷BaTiO3 的包晶模拟电荷映射，表明随着熵的增加存在相当大的极化

【全文小结】
高熵合金和高熵材料代表了材料科学的研究模式转变，为材料设计引入了一种打破传统原则的新方法。“高熵”一词本身就暗示了对传统设计理念的背离。这种材料设计理念催生了一批具有前所未有的机械、热、电和磁特性组合的新型材料。相关研究和应用领域正在蓬勃发展，方兴未艾。应对高熵合金和高熵材料领域的挑战以及探索机遇需要采用多学科方法，包括制造技术的进步、功能属性的探索、先进表征工具的利用，以及机器学习的整合。通过持续的研究与合作，高熵合金和高熵材料有潜力发展为具有定制属性的高性能材料，革新各个行业，推动技术、工程和可持续发展的进步。

来源
稀有金属rarematerials l

Rare Metals 南京理工大学兰司：高熵合金和高熵功能材料的前沿研究进展

Citation

Zhang, WT., Wang, XQ., Zhang, FQ. et al. Frontiers in high entropy alloys and high entropy functional materials. Rare Met. (2024).
https://doi.org/10.1007/s12598-024-02852-0

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▲ 算法推动核能装备开发
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3D科学谷洞察
从提高效率到增强核安全-3D打印的影响

“3D打印技术能够制造出足以承受核反应堆极端环境的坚固材料，并生成以前难以生成或不可能生成的复杂形状。3D打印技术在核工业中的具体应用包括核反应堆元件制造（核反应堆堆芯制造、核燃料组件隔离栅、核燃料组件下管座、核反应堆压力容器制造等等） 、核辐射屏蔽材料、核电厂消防泵叶轮等等，这些应用揭示了3D打印技术在核工业中的多样化和潜力，从提高制造效率到增强核安全，3D打印技术正在成为核能领域的一个重要制造方式。”

 算法驱动

在核工业中，3D打印部件的检测通常会遇到各种挑战，其中3D打印部件的质量检测通常依赖于高精度的计算机断层扫描（CT扫描），这些扫描利用X射线技术，对部件的内部结构进行详尽的检查，以确保无缺陷。然而，传统方法不仅耗时，而且昂贵。

此外，在核反应堆中取出的材料往往含有放射性，因此，长时间的X射线CT扫描不仅对实验室技术人员的安全构成威胁，还会因为辐射导致探测器磨损，限制使用寿命和图像准确性。这些挑战涉及到技术、安全、成本和环境等多个方面，需要通过技术创新和严格的质量控制流程来克服。

虽然3D打印部件的检查时间可能因应用而异，但专家估计它可能占总生产时间的 25% 左右。这就是为什么检查过程越复杂，就越难以快速高效地交付产品。

在AM-增材制造行业，多家技术提供商已将开发能够快速高效检查的检查解决方案作为其核心业务。来自 ORNL美国国家橡树岭实验室的核能部门的研究人员加入了这一行列，他们创建了一种软件算法，将用于核应用的3D打印零部件的检查时间缩短了85%。研究人员现在正在为爱达荷国家实验室 (INL) 训练算法，以便将类似的方法应用于辐照材料和核燃料。

ORNL 的新软件算法使用机器学习快速重建和分析图像，从而显着减少执行检查所需的成本、时间和扫描次数。

INL的研究人员应用 ORNL 的新算法，在不到 5 小时的扫描时间内分析了 30 多个3D打印样品部件。如果没有该软件，每次扫描将需要30多个小时才能完成，这为放射性物质和燃料的潜在应用打开了大门。

INL的研究人员通常会推迟检查间隔时间，延缓从核反应堆中取出的零件，以确保实验室技术人员的安全。长时间的X射线 CT扫描过程中产生的辐射也会磨损探测器，限制其使用寿命和图像的准确性。更短的扫描时间意味着每次扫描的辐射剂量更少，等待时间更短，同时能够获得更高质量的数据并更快地反馈给训练模型。

根据3D科学谷的市场洞察，这一突破性的进展不仅大幅降低了检测成本和时间，而且对核工业的质量控制流程产生了重大影响。该算法通过快速重建和分析计算机断层扫描（CT）图像，减少了执行检查所需的成本、时间和扫描次数，这种加速的检测能力为辐照材料和核燃料的应用开辟了新的可能性。

根据INL的仪器科学家兼衍射和成像小组负责人，这种算法的应用将显著提高操作安全，加快新材料的评估速度，并加速新核能理念从概念到电网实施的整个生命周期。

ORNL的研究员Amir Ziabari是该算法的开发者，他正在训练该软件，以便未来能应用于放射性物质和燃料的检查。

ORNL和INL之间的合作预计将加快新型反应堆的开发和部署，以实现电力部门脱碳，该软件技术得到了美国能源部先进材料和制造技术（AMMT）的资助，旨在加速新材料和制造技术的商业化进程，以支持美国制造业的创新和竞争力。

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根据3D科学谷的洞察，在增材制造过程中，铝的临界扩散行为对于形成多梯度结构至关重要，这种结构在变形过程中表现出梯度应变分配效应。梯度应变分配效应有效地阻碍了裂纹的萌生和扩展，这对于提高材料的断裂韧性至关重要。

近日，根据材料学网，香港理工大学陈子斌教授团队的一项工作代表了非均质合金设计和增材制造技术交叉领域的一个重要进展。通过在增材制造过程中精确控制铝（Al）的扩散，团队成功地创建了具有独特成分梯度和结构梯度的非均质多梯度结构。他们开发的多梯度α-Ti/Ti-10Al结构不仅在提高材料强度的同时保持了良好的延展性，而且还展示了如何通过精确控制微观结构来优化合金的性能。

▲论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645424007456

3D科学谷洞察
非均质合金

非均质合金设计是一种材料科学领域的先进概念，它涉及到创造具有不同组成和微观结构的合金区域，以实现特定的性能优化。这种设计策略利用了材料的异质性，即在材料的不同部分具有不同的化学成分和/或微观结构，以获得比传统均质合金更优异的性能。非均质合金设计允许在材料的不同区域实现不同的性能，例如，提高某些区域的强度而不影响其他区域的延展性。可以创建具有梯度功能的合金，其中材料的属性（如硬度、弹性模量、热膨胀系数等）在空间上连续变化。通过非均质设计，可以在材料内部实现更均匀的应力分布，减少应力集中，从而提高材料的疲劳寿命和可靠性。并且，非均质合金可以设计成对特定环境条件（如高温、腐蚀介质等）具有更好的适应性。增材制造（AM）技术，如选区激光熔化（SLM）和电子束熔化（EBM），为非均质合金设计提供了制造平台，允许在制造过程中精确控制材料的局部成分和微观结构。”

 

 新型非均质多梯度合金

非均质合金设计已成为材料科学的前沿，因为它们在实现强度和延展性的卓越组合方面具有潜力。为了利用这一潜力，香港理工大学的研究团队提出了一种结构策略，通过在增材制造过程中原位调制铝浓度来制造一种新型非均质多梯度α-TiAl合金。与屈服强度（σy）为440 MPa，断裂伸长率（εf）为37.6%的均相Ti和均匀Ti- 10al [at%] （σy ~ 910 MPa, εf ~ 6.1%）相比，该非均相多梯度α-TiAl合金在屈服强度（σy ~ 760 MPa）上有显著提高，但在延展性（εf ~ 33.4 %）上有微小降低。进行了全面的实验表征，以探讨其潜在机制。研究结果表明，铝在不同印刷层中的扩散促进了一种创新的异质多梯度结构的形成，产生了多梯度应变的协同作用，有助于实现强度和延展性的卓越结合。这些发现不仅为大幅度提高α-Ti合金的力学性能提供了一条有效途径，而且也可广泛应用于其他合金体系。异质结构设计的新实现有可能克服协调强度和延性之间权衡的长期挑战。

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”

α-钛（α-Ti）主要与α-稳定剂（如O， N和Al）相关。它具有一系列卓越的性能：出色的可焊性，明显的缺口韧性，优越的比强度和良好的延展性（超过20%），使其特别适用于对延展性要求极高的应用。然而，良好的延展性主要存在于非合金α-Ti或低合金α-Ti中，这类合金的强度仍然相对较低。为了提高其强度以满足具体实际应用的要求，加入合适含量的α-稳定元素势在必行。然而，这种强度的提高经常被延性的急剧下降所抵消，这就是强度-延性权衡困境的例证。现有文献强调，少量加入氧气或铝会导致延展性受损，同时也会增加强度——在引入0.3wt%氧气或4.0wt%铝时，延展性下降200%。因此，建立一种经济的制造模式，在不显著影响延展性的情况下增强强度，对于推进α-Ti的结构应用仍然至关重要。

最近，异质结构材料作为一种非常有前途的候选材料，通过巧妙地整合适当的微观结构设计，实现了强度和延展性的卓越结合，这一重大进展使异质结构材料成为人们关注的焦点。因此，这提高了强度和应变硬化能力，同时最大限度地降低了延性。在之前的一项研究中，Li等人通过退火和热压技术成功制备了一种异质结构的纯钛（Ti），其特点是粗晶粒和细晶粒交替存在，其强度明显增强，从292 MPa上升到354mpa，同时保持了可观的延展性，与粗晶粒相比，仅从54%下降到53%。同样，Wu等人强调了非对称轧制和部分再结晶在非均匀层状结构Ti材料中的强度和延展性的有利协同作用。它具有与粗晶Ti相当的延展性，同时具有与超细晶Ti相似的强度。然而，制作这些异质结构的传统方法具有固有的缺点，包括处理时间长和成本高。当处理复杂的几何形状和在制造过程中精确管理组合调制时，这些挑战变得更加明显，使其实现具有固有的挑战性。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

为了应对这些紧迫的挑战，增材制造（AM）已经成为一种很有前途的解决方案，通过复合方法开拓了异质结构的近净形状生产。先前的研究已经证明了AM通过原位成分调整引入非均相微结构的能力。例如，通过激光金属沉积（LMD）制备从Ti- 6al – 4v过渡到Al12Si的功能梯度材料[14]，以及通过线弧AM制备不同Ti合金（Ti- 5al – 5v – 5mo – 3cr /Ti- 6al – 4v）的微观结构过渡梯度，其中不同成分的微观结构发生了明显变化。显然，增材制造的出现为探索创新材料设计范式提供了独特的途径，有助于提高近α-Ti合金的整体性能。然而，研究领域仍然面临着巨大的挑战，包括强度的有限提高与明显的延性牺牲，以及由于热膨胀差异、弹性模量差异和屈服强度变化而引起的界面脆化或开裂问题。例如，通过激光AM合成的双相钛合金，特别是TA15和Ti2AlNb，强度从1028 MPa增加到1067 MPa，但明显牺牲了延展性，从13.2%下降到8.0%。类似地，通过AM将Invar 36 （64 wt% Fe, 36 wt% Ni）掺入ti – 6al – 4v合金中，导致金属间相的出现，例如FeTi (B2), Fe2Ti (C14), Ni3Ti (DO24), NiTi2。这最终导致了不良的分层，使其不适合用于结构应用。因此，迫切需要重新设想设计策略，以减轻与界面脆化有关的问题。

最近的研究提出了一种策略，通过结合元素梯度来解决界面脆化问题，以防止过早断裂。例如，Wei等人发现，即使将Ti6Al4V和Inconel 625这两种看似无关的材料组合在一起，仍然可以实现强度和延展性的协同增强。这是由于在这两种材料之间引入了梯度材料过渡，以避免层间的突然过渡。此外，Guan等人发现异质结构层状互变CrMnFeCoNi/AlCoCrFeNiTi0.5复合材料虽然具有两相不同的硬度，但由于软层对裂纹的抑制作用，仍然可以获得无与伦比的强度和延展性。受这些发现的启发，本研究探索了近α-Ti合金的另一种片层结构。它结合了梯度材料的平稳过渡，同时避免了脆性金属间化合物。换句话说，该策略涉及到层状结构Ti- al /Ti异质结构的发展，这是合理的几个令人信服的原因：室温下Al在Ti中的高溶解度降低了形成不良金属间化合物的可能性；2. Al在Ti中的明显扩散可能提供了层间的平滑过渡，防止了可能导致不良分层的热膨胀系数或弹性模量的巨大差异；3. 有充分证据表明，Al在Ti中的强化作用可能导致异质组织合金的高强度。

在这项工作中，香港理工大学的陈子斌教授团队开发了一种多梯度α-Ti/Ti- 10al结构，其特点是强度接近于坚固的Ti- 10al合金，而延展性接近于延展性纯Ti。先进的表征技术已被用来阐明这些特殊性质的综合机制。值得注意的是，在增材制造过程中观察到Al的临界扩散行为，导致出现了一种具有独特成分梯度和结构梯度的新型非均质多梯度结构。非均质多梯度结构施加几何限制，从而在变形过程中表现出梯度应变分配效应，有效地产生额外的加工硬化，阻碍裂纹的萌生和扩展，从而在提高强度的同时保持良好的延性。这种创新的结构设计策略为制造具有卓越强度-延性组合的优质Ti提供了一条有前途的途径，对其他合金可能导致延性降低的合金具有更广泛的影响。

相关研究成果以“Exceptional strength and ductility in heterogeneous multi-gradient TiAl alloys through additive manufacturing”发表在Acta Materialia上。

图1所示。使用LENS™工艺制备均质Ti和TiAl试样以及非均质TiAl试样。(a)采用LENS™技术的打印过程示意图。(b)连续层的印刷策略。(c)非均相TiAl合金的印刷设计。（d1-d3）从构建的均质Ti、均质TiAl和非均质TiAl样品的横截面表面获得的OM图像显示，样品内部几乎没有孔隙形态。

图2所示。粉末和成品样品的相组成。(a)接收CP-Ti和预合金Ti-54Al粉末的XRD谱图。(b)在平行于构建方向的横截面表面上观察到的均相Ti、均相TiAl和非均相TiAl样品的XRD图谱。

图3所示。室温下均质Ti、均质TiAl和非均质TiAl的力学性能(a)工程应力-应变曲线。(b)与迄今为止报道的其他高强度α-Ti合金（包括SLM CP-Ti , SLM HDH-Ti, SLM TiNX, DED CP-Ti[34,35]和PM TiAlx）的屈服强度和总伸长率的比较。

图4所示。显微硬度在建筑距离上的分布。

图5所示。原位DIC可视化描述了不同宏观应变水平下沿加载方向的应变分布。(a)非均相TiAl合金的应力应变曲线。（b和c）初始阶段（第一阶段），缺乏应变局部化的迹象。（d和e）中间阶段（阶段II），标志着非均质菌株分布的开始。(f)以扩展应变局部化为特征的后续发展（第三阶段）。（g和h）高级阶段（第四阶段），显示了广泛的应变局部化，从TiAl层过渡到相邻的Ti区域。(i)末端阶段（第五阶段）捕捉应变局部化的全面扩展，最终导致试样破裂。

图6所示。基于扫描电镜的均相Ti，均相TiAl和非均相TiAl样品的显微组织检查。（a1和a2）均质Ti，分别在低倍和高倍下呈现。（b1和b2）低倍和高倍放大下均匀TiAl的详细显微组织。（c1）概述图像，强调试样内部的微观结构和元素差异。附带的EDS线扫描显示了Al和Ti浓度的梯度变化，从TiAl层过渡到相邻的Ti区域。（c2）对Ti层进行更近距离的放大检查，发现主要是板状和片状晶粒形态。（c3）在高倍镜下对TiAl层的显微组织检查显示主要是篮织晶粒形态。

图7所示。非均质TiAl试样横截面积的EPMA可视化。(a)在二次电子模式下拍摄的图像，显示了检查截面上复杂的结构细节。（b和c）来自同一区域的元素分布图，分别突出了Al和Ti的空间分布和局部化。

图8所示。LENS™制备的异质TiAl样品的原位EBSD结果。（a1）与建筑方向对齐的截面概览，显示钛层和TiAl层的总体结构布局。（a2）地表图显示了Ti和TiAl层中位错密度的均匀分布。（a3） Ti和TiAl层内晶粒尺寸分布的统计分析。（a4）详细描述Ti和TiAl层的GND密度分布的直方图。（b1和c1）晶体学分析分别显示了施加8%应变后和到达断裂时的微观结构演变。（b2和c2）对应的GND图，描绘了不同应变水平、8%和断裂时GND密度的变化，红色虚线描绘了高密度的GND迹线。（b3和c3） 8%应变后和断裂时晶粒尺寸分布的统计分析。（b4和c4）描述两种不同应变水平（8%和断裂）下GND密度的直方图。

图9所示。非均相TiAl样品中Ti层的原位EBSD结果。（a1-a3）晶体学分析揭示了在不同应变水平下Ti层内部的显微组织演变，随着应变的增加，观察到明显的晶粒细化：初始建成状态（a1）， 8%应变（b1）和达到断裂（c1）。（b1-b3）每种应变状态的GND图，突出了位错密度的逐渐增加及其在越来越细的晶粒中的传播：构建样品（a2）， 8%应变（b2）和断裂（c2）。

图10所示。LENS制备的非均相TiAl合金中富铝区和缺铝区的TEM表征。(a)和(b) TEM显微图描绘了缺al区域的片状和板状晶粒结构。红色虚线表示与板状晶粒相关的晶界。(c)缺al区域的HRTEM图像，插入快速傅里叶变换（FFT）图像。(d)具有代表性的STEM显微照片，显示富al区和缺al区之间的界面。白色虚线突出了先前的β边界，它区分了片层和篮织结构。(e) TEM图像显示富al区主要存在特征性的篮织颗粒。(f)富al畴的HRTEM图，与FFT插图相辅相成。

图11所示。缺铝区和富铝区断裂非均质TiAl试样的TEM表征。(a)亮场透射电镜（BF-TEM）图像显示了断口al亏缺区板状晶粒内部的显微组织演变。位错密度高的特征用黄色箭头表示，位错细胞用紫色虚线圈表示。(b)缺铝断裂带的HRTEM图像。插图显示了经过掩膜和反射处理的IFFT图像，它阐明了位错的存在。(c)富al区断裂后的BF-TEM图像。蓝色箭头表示细的编织颗粒，绿色箭头表示位错密度高的区域。(d)富铝区断裂区HRTEM图像。插图展示了经过处理的IFFT图像，以掩盖（01-10）和（011-0）反射，显示位错。

图12所示。(a)在增材制造过程中，通过LENS™软件获得的熔池温度分布图。(b)在AM过程中由熔池内的温差触发的既定Al梯度和Marangoni力。(c) Al在AM过程中从TiAl层向相邻Ti层扩散的示意图。(d)不同铝浓度对应的微观结构变化。

图13所示。非均质多梯度TiAl合金的渐进变形阶段示意图。（a1）变形的初始阶段，显示了合金在经历最早应变时的新形态。绿色矢量表示变形方向，垂直蓝色矢量表示Al梯度。（a2）由Al浓度的梯度变化引起的多梯度结构图。蓝色箭头表示微观结构的转变，随着Al浓度的降低，从较细的篮状晶粒演变为较粗的板状晶粒。（b1）合金在第二阶段应变增加的升高阶段的描述。位错和位错细胞用红色“T”符号表示。蓝色向量表示梯度应力分配效应的变换方向。（b2）在变形过程中，缺铝区产生的拉应力和富铝区产生的压应力相互作用产生梯度应力分配的示意图。（c1）变形阶段III和IV的显微组织示意图，在高应变下，在缺铝区可以观察到位错细胞的增加，演变成高角度/低角度晶界（用暗点线表示），在缺铝区表现出明显的晶粒细化，由高GND密度装饰。（c2）这一阶段延性补偿机制的示意图。白色的裂缝被相邻的层所限制。（d1）断裂前阶段，呈现的是刚开始断裂的合金。两个Ti-Al层之间的应力集中区域被连接起来。红色图案表示整个缺铝区域的应变局部化连接。（d2）这一高级阶段缺陷通道形成的示意图，阐明了在断裂之前通过晶粒细化和GND积累建立的路径和结构。

图14所示。相应的均相Ti、均相TiAl和非均相TiAl合金的真应力-应变曲线和应变硬化率曲线。

图15所示。均相Ti、均相TiAl和非均相TiAl试样的断口分析。（a1和a2）均质Ti的断裂面，红色箭头突出了均匀的凹陷特征。（b1和b2）均质TiAl的断口学特征，其中黄色虚线描绘了典型的阶梯状特征，黄色箭头表示突出的解理面。（c1和c2）异质TiAl试样的断裂形貌。红色箭头表示在缺铝区域发现的浅凹窝，而黄色箭头强调富铝区域的解理面。能谱线扫描阐明了铝梯度，从浅韧窝区跨越到解理为主的区域。

通过元素集成对合金进行优化，通常会提高材料的强度，但往往以降低延展性为代价，从而限制了其更广泛的适用性。鉴于异质结构材料所表现出的令人称道的力学性能，通常是通过机械后处理或成分修改引起的微观结构变化来实现的，本研究在增材制造过程中利用原位化学成分调制来合成一种新型的非均质多梯度TiAl合金，得出的主要结论如下：

1. 制备的非均质多梯度Ti/Ti- 10al合金具有良好的强度和延展性，其屈服强度约为760 MPa，断裂应变约为33.4%。非均相TiAl合金的屈服强度和断裂应变分别约为440 MPa和37.6%，与之相比，非均相TiAl合金的屈服强度提高了近70%，而延展性的损害可以忽略不计。此外，与均匀TiAl合金相比（屈服强度和断裂应变分别为910 MPa和6.1%），塑性提高了近6倍，强度损失很小。

2. 在增材制造过程中调用的Marangoni效应，加上Al向Ti的扩散，促进了组织良好的异质多梯度结构。这导致Al浓度的可控变化，随后诱导晶粒形态梯度和固溶体梯度沿构建方向从TiAl层到相邻Ti层。

3. 非均质多梯度TiAl合金中Ti/Ti- al层之间固有的组织和力学性能差异，促进了变形过程中梯度应力分配，增强了应变硬化。同时，较软Ti层的存在弥补了延展性，从而有效地减缓了Ti- al层内裂纹的产生和发展。梯度应力分配和延性补偿的协同作用使强度和延性都得到了显著提高。

4. 采用这种新颖的强化策略不仅以一种更可行的方式扩展了经济可行的α-Ti合金的潜在应用，而且为一系列合金系统提供了广阔的前景。这种方法在强化元素在基体中表现出明显的溶解度的情况下特别有益，并且它的掺入会显著损害合金的固有延展性。

来源
材料学网 l

香港理工大学《Acta Materialia》通过增材制造的非均质多梯度TiAl合金的卓越强度和延展性

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根据公开的市场研究，全球双光子聚合技术市场预计将保持平稳增长的态势，到2029年市场规模将接近29亿元。中国市场作为全球最主要的消费市场之一，预计将在未来几年内实现显著增长。根据3D科学谷的市场洞察，双光子聚合技术能够制造出具有亚微米甚至纳米级分辨率的复杂三维结构，这对于微纳光学器件的制造尤为关键。该技术可以用于制备光子晶体、光学波导、微透镜等高性能光学器件，推动光电子器件向更小型化、集成化和高性能化发展。双光子聚合技术对光电子行业的影响是全方位的，从器件设计、材料开发到制造工艺，再到市场应用和产业链发展，都将带来深刻的变革。随着技术的不断成熟和应用领域的拓展，双光子聚合技术有望在未来光电子行业中扮演更加重要的角色。

本期，通过节选近期国内在双光子领域的实践与研究的多个闪光点，3D科学谷与谷友一起来领略的这一领域的研究近况。

在双光子聚合领域活跃的部分企业：

Nanoscribe GmbH：这是一家德国公司，提供高精度的双光子聚合3D打印系统，如Photonic Professional GT系统，能够制造亚微米分辨率的器件。Nanoscribe开发了多种适用于双光子聚合的专有光刻胶，适用于不同的应用领域，包括生物医学、光子学等。

UpNano：奥地利的UpNano公司专注于高分辨率微尺度3D打印技术，其技术以精度和速度著称，能够生产微纳米级别的精细结构。该公司最近完成了700万欧元的A轮融资，以加速下一代打印机的开发和国际市场扩张。

深圳市不死鸟科技有限公司：这是一家中国的公司，提供微纳双光子3D打印机和打印服务。该公司的双光子3D打印机D100和S600在精细度和速度、加工尺寸方面具有竞争力。

Microlight3D：这家公司提供双光子聚合3D打印技术，服务于微纳光学和精密工程领域。

Heidelberg Instruments：提供双光子聚合技术及相关设备，服务于科研和工业应用。

Moji-Nano Technology：同样在双光子聚合领域活跃，提供相关产品和服务。

Femtika：双光子聚合技术领域的一员，提供高精度的3D打印服务和解决方案。”

3D科学谷发现
3D Science Valley Discovery

通过双光子聚合技术，可以精确控制光电子器件的微观结构，从而提高其性能，如提高光电子转换效率、增强信号传输速度等。这对于光通信、光存储、传感器等领域的应用具有重要意义。

Insights that make better life

 双光子聚合打印
     三维光子晶体的研究进展

赵晗彤1,2苏思华1,2李琛1,2,3周明霞1,2张泽政1,2张晨3阮琦锋1,2宋清海1,2,3

1.微纳光电信息系统理论与技术工信部重点实验室哈尔滨工业大学(深圳)2. 广东省半导体光电材料与智能光子系统重点实验室哈尔滨工业大学(深圳)3. 鹏城实验室

摘要：

双光子聚合光刻技术和光子晶体的研究相辅相成。本文首先依次简述了三维光子晶体的概念及典型结构、双光子聚合光刻技术的原理与特点；然后回顾了利用双光子聚合光刻技术打印三维光子晶体在分辨率、打印速度和材料扩展等方面的研究进展，并重点介绍了其在光学领域的应用情况；最后总结了双光子聚合光刻作为制备三维光子晶体的加工手段仍存在的一些问题，并对其在未来的研究方向进行了展望。

 基于双光子聚合效应加工大
     深宽比纳米柱子和超构表面的研究

李岳隆1谢周宇1,2张大伟1陶春先1徐学科2文静1

1.上海理工大学光电信息与计算机工程学院2. 恒迈光学机密机械(杭州)有限公司

摘要：

文章基于双光子聚合(TPP)效应，即双光子光刻(TPL)3D打印技术，实现了超衍射极限和高复杂结构的加工，实现了加工大深宽比的纳米柱子及由这些纳米柱子构成的超构表面。本文研究了不同TPP工艺参数对IP-Dip光刻胶微结构尺寸的影响，同时对这些参数进行了优化。文章的创新在以下两点：(1)分析了不同激光参数下纳米柱的尺寸变化，同时找出线宽最小对应的阈值参数来制备大深宽比的纳米结构。(2)对于加工步骤的优化，在显影步骤后加入了紫外灯固化和超临界二氧化碳干燥等步骤，以保证加工出的纳米结构不倒塌且具有良好的稳定性。文章使用以上改良技术，稳定的制备出具有最大深宽比接近15∶1、最小线宽214.80nm的矩形纳米柱，以及最大深宽比接近20∶1、最小直径145.44nm的圆形纳米柱，并且将制备出的大高宽比纳米柱应用在超构表面的加工中。

 双光子聚合打印
     三维光子晶体的研究进展

赵晗彤1,2苏思华1,2李琛1,2,3周明霞1,2张泽政1,2张晨3阮琦锋1,2宋清海1,2,3

1.微纳光电信息系统理论与技术工信部重点实验室哈尔滨工业大学(深圳)2. 广东省半导体光电材料与智能光子系统重点实验室哈尔滨工业大学(深圳)3. 鹏城实验室

摘要：

双光子聚合光刻技术和光子晶体的研究相辅相成。本文首先依次简述了三维光子晶体的概念及典型结构、双光子聚合光刻技术的原理与特点；然后回顾了利用双光子聚合光刻技术打印三维光子晶体在分辨率、打印速度和材料扩展等方面的研究进展，并重点介绍了其在光学领域的应用情况；最后总结了双光子聚合光刻作为制备三维光子晶体的加工手段仍存在的一些问题，并对其在未来的研究方向进行了展望。

 基于双光子3D打印的
     pH响应型微尺度柔性单关节加工方法

赵秀宝1,2,3郭仁春1章昱昭2,3,4王金刚2,3,4郑建辰2,3,4王晓朵2,3

1.沈阳化工大学信息工程学院2. 中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室3. 中国科学院机器人与智能制造创新研究院4. 中国科学院大学

摘要：

微型软体机器人通常具有结构尺寸小、柔性可变形等特征，在生物传感以及靶向载药等方面具有广阔的应用前景。刺激响应型水凝胶材料对外界刺激具有膨胀收缩的能力，是一种优异的微型软体机器人本体材料。目前针对提升微型软体机器人变形能力的研究主要聚焦于材料性能的提升和加工工艺的优化上，而通过微型软体机器人关节结构优化来提升其变形性能的研究相对较少。

鉴于此，本课题提出了一种基于双光子聚合加工的双层膜弧形关节的设计方法，有效提升了双层膜关节的形变能力。通过改变双光子聚合过程中的激光功率和扫描速度，可有效调节pH响应材料的溶胀响应特性，进而获得双层膜关节的变形或驱动能力。进一步，笔者制备了圆心角不同的双层膜弧形关节，结果表明：不同圆心角的双层膜弧形关节在pH响应下的形变能力具有明显差异，当圆心角为240°时形变率最大，形变率是传统直角形双层膜关节的6.73倍。基于双层膜设计和构建的弧形关节具有良好的稳定性和形变能力，为微型机器人的高效驱动提供了新的设计思路。

 基于双光子聚合3D打印的
     光纤法珀微波导腔制备及传感特性研究

陈茂庆1,2刘思源1,2蔡露1,2刘强1,2赵勇1,3,2

1.东北大学信息科学与工程学院2. 河北省微纳精密光学传感与检测技术重点实验室3. 东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室

摘要：

将光纤法布里-珀罗（法珀）微腔与微波导相结合，提出一种光纤法珀微波导腔高灵敏度折射率传感器。光纤法珀微腔可以将光场限制在微米量级的区域内，并对腔内的微波导结构起支撑保护作用；微波导在保证结构良好导光能力的同时，基于其强倏逝场特性，进一步提升整体结构的折射率灵敏度。此外，基于飞秒激光双光子聚合高精度3D打印技术，可实现波导直径仅为2μm的光纤法珀微波导腔，并保证良好的制备重复性。

实验结果表明：随着光纤法珀微波导腔传感器腔内液体折射率的增加，传感器的干涉光谱发生蓝移，在1.3346～1.3764折射率范围内灵敏度可达525.81 nm/RIU，与仿真获得折射率灵敏度（555.14 nm/RIU）结果接近；该传感器还展现了优良的线性响应特性，线性拟合系数可达0.9948；相比于传统无微波导的光纤法珀微腔结构，干涉光谱峰值提升了8.2 dB，折射率灵敏度提升了近4倍。

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增材制造技术因其成型方式的灵活性，非常适合制备复杂的仿生结构。这种技术能够模仿自然界中的多尺度、多材料和多功能结构，为仿生学研究提供了新的机遇。增材制造技术逐层累加材料的特点使其在制备仿生结构方面具有天然优势，不仅提升了结构的吸能、强度、刚度，还实现了传感、驱动、医学工程等多种功能

近日，重庆大学课题组，在复合材料学报上发表了《增材制造仿生结构的力学性能优化及其功能设计研究进展》。借助复合材料学报的分享，本期3D科学谷与谷友共同领略关于3D打印在仿生结构方面的技术逻辑。

仿生结构通过模仿自然界动植物的结构，展现出卓越的力学性能和多种功能特性。例如，仿生管状结构、泡沫结构、夹心结构相较于普通结构具有更强的吸能特性。高强度仿生蜂窝结构和陀螺结构相较于普通结构在强度和承载能力上有显著提升。高刚度仿生结构如改善杆力学性能的新结构、珠层结构和双连续结构在刚度、冲击、弹性模量和弯曲模量上相较于传统结构有显著提高。

增材制造技术能够实现对材料的精确控制，包括材料的分布、层厚、结构的几何形状等，这使得复制自然界中精细复杂的结构成为可能。在力学性能优化方面，增材制造技术可以实现仿生结构的力学性能优化，如吸能、高强度、高刚度等，这使得复制自然界中的复杂结构在力学性能上更加精确和可靠。而在功能实现为导向的制造方面，增材制造技术还可以实现仿生结构的功能设计，如传感、驱动、医学等，这进一步增强了复制自然界结构的精确性和功能性。”

仿生结构受自然界动植物巧妙结构的启发，通常会表现出卓越的力学性能；同时，这类结构也受动植物维系生命功能天然设计的启发，能够表现出多种功能特性。得益于仿生结构突出的力学性能和强大的功能特性，其在航空航天、新能源、轨道交通甚至医学等领域都具有广泛的应用背景。

增材制造的成形方式正好十分契合仿生结构的形成，因此在研究清楚生物机理后，采用增材制造技术可以制备出具有优越力学性能和多样化功能的仿生结构。

1. 仿生管状结构、仿生泡沫结构、仿生夹心结构分别相较于普通管状结构、泡沫结构、夹心结构具有更强大的吸能特性；

2. 高强度仿生蜂窝结构（受马蹄启发的仿生蜂窝结构、多孔蜂窝结构）相较于普通蜂窝结构强度分别提升43.8%和62.1%、82.4%；高强度仿生陀螺结构（新型轻质TPMS芯夹层结构、受蝴蝶启发的超轻陀螺结构）相较于其常规结构具有更好的承载能力；

3. 高刚度仿生结构中，一种改善杆力学性能的新结构与实心杆相比，具有更高的刚度；两种珠层结构与纯几何结构相比，结构的冲击、弹性模量和弯曲模量分别提高了36%、29%和37%；双连续结构与纯陶瓷材料相比韧性提高了约116倍；

4. 通过模仿自然界中乌贼、跳蚤、细胞血管等生物结构对压电、应变、温度、湿度的感知特性，再采用增材制造技术制备的仿生传感结构具有性能优异、灵敏度高、适应性强的特点；

5. 通过模仿巴沙鱼、生物肌肉结构、含羞草等的运动机制，利用增材制造技术灵活制造的仿生驱动结构具有结构复杂、精度高、驱动性能好的特点；

6. 3D打印生物结构模仿生物结构灵巧、精密、耐久、适应性强的特点在医学领域的应用突破了很多医学技术的瓶颈，解决了骨骼、关节、半月板和皮肤再生技术，组织内部用药、神经植入监控技术等医学难题；

7. 通过模仿蝴蝶翅膀结构、树木的蒸腾过程、昆虫复眼的特点，利用增材制造技术制备，分别实现了电磁波吸收、太阳能转换、光学成像的功能。

随着仿生技术和增材制造技术越来越成熟，增材制造与仿生结构设计的结合在未来也会日趋广泛。目前利用增材制造技术制造仿生结构的相关报道仍相对偏少，这也许与增材制造技术成型过程易产生缺陷相关，但是增材制造技术成型技术的灵活性始终是科研者们选择它的一个坚定不移的理由。同时自然界中复杂结构远远超出传统的设计和制造技术的能力，这阻碍了仿生学研究的进展及其在工程系统中的使用。所以增材制造技术为模仿和制造自然界中的多尺度、多材料和多功能结构提供了新的机遇，这与增材制造逐层累加材料实现制备的成型特点离不开。采用增材制造技术制备仿生结构不仅仅在吸能、强度、刚度上有良好的提升，而且还实现了传感、驱动、医学工程等功能，这充分证明了增材制造技术与仿生结构设计相结合的重大意义。

来源
复合材料学报 l

【综述荐读】重庆大学付绍云教授团队：增材制造仿生结构的力学性能优化及其功能设计研究进展

刊名：复合材料学报

刊期：月刊

创刊时间：1984年7月

主办单位：北京航空航天大学；中国复合材料学会

出版单位：《复合材料学报》编辑部

获奖及入选核心情况：《复合材料学报》首批入选 “中国科技期刊卓越行动计划”，先后荣获“中国政府出版奖期刊奖提名奖”、“中国精品科技期刊”、“百种中国杰出学术期刊“、“中国最具国际影响力学术期刊”等，“材料科学-综合类高质量科技期刊分级目录”中的T1区期刊。《复合材料学报》被《EI》、Elsevier的《Scopus》、《EBSCO》(全文收录)、《CA》、《JST》、《Pж(AJ)》等国际著名检索数据库收录，同时为中国科技核心期刊(中国科技论文统计源期刊)、北大中文核心期刊，被《中国期刊网全文收录数据库，CNKI》、《中国科学引文数据库》、万方、维普、超星等数据库收录。

基本信息
作者：李家雨, 付宇彤* , 李元庆* , 付绍云*

单位：重庆大学　航空航天学院

收稿日期：2024-02-27；录用日期：2024-04-04

基金项目：国家自然科学基金-青年科学基金项目及重点项目(12202082；12332008)；重庆市自然科学基金面上项目(CSTB2022NSCQ-MSX0608)；第九届中国科协青年人才托举工程项目(2023QNRC001)；重庆市博士后创新人才支持计划(CQBX202206)

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根据3D科学谷的洞察，不同位错类型通过影响材料的力学性能、热稳定性和微观结构，对材料的整体性能产生重要影响。位错的存在可以显著影响材料的力学性能。因为位错之间的相互作用和交错使得它们运动困难，从而实现位错钉扎的效果。增材制造过程中位错结构的形成机理及其对力学性能的影响机制是金属增材制造领域的前沿热点。增材制造提供了一个独特的平台来研究位错理论在实际材料中的应用。通过研究增材制造合金中的位错结构，可以更好地理解位错如何在实际材料中形成、演化以及如何影响材料的性能。

近日，根据多尺度力学，上海交通大学材料学院塑性成形技术与装备研究院陈军教授课题组安大勇副教授，联合西南交通大学力学与航空航天学院张旭教授和德国马普钢铁所材料可持续合成课题组组长马焱博士（现荷兰代尔夫特大学助理教授）等，在增材制造奥氏体不锈钢胞状结构热稳定性机理研究中取得了重要进展，相关成果以“The Role of Dislocation Type in the Thermal Stability of Cellular Structures in Additively Manufactured Austenitic Stainless Steel”为题发表在Advanced Science上。

▲https://doi.org/10.1002/advs.202402962

3D科学谷洞察

位错理论是材料科学中一个相对完整地对于缺陷进行研究的理论体系，对材料的性能有着复杂而深远的影响。通过学习位错性质和它们在塑性变形过程中的作用，人类能够理解用于强化和硬化金属及它们合金的潜在方法和机制，开拓设计材料的力学性质的创新方法。而增材制造过程中的快速凝固导致高密度位错的形成，这些位错结构对材料的力学性能有显著影响。增材制造过程中的固态热循环也会导致位错结构的演变，尤其是在添加层的初期阶段。”

 提高高温性能

激光粉末床熔融技术（LPBF）可以实现金属复杂零部件的高精度成形，已经发展成航空航天等领域的关键制造技术。LPBF制备的金属材料常具有亚微米尺度的凝固胞状结构，其含有高密度位错、纳米析出相和元素偏析等，对3D打印件的力学性能具有很大的影响。由于增材制造构件常服役于高温环境，打印组织的热稳定性决定了其服役可靠性。因此，揭示影响胞状结构热稳定性的关键因素及其内在机理对评估和提高增材制造零部件高温性能至关重要。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

上海交通大学材料学院塑性成形技术与装备研究院陈军教授课题组安大勇副教授，联合西南交通大学力学与航空航天学院张旭教授和德国马普钢铁所材料可持续合成课题组组长马焱博士（现荷兰代尔夫特大学助理教授）等的研究通过原位电子通衬度成像（ECCI）、高分辨电子背散射衍射（HR-EBSD）等先进表征技术结合三维离散位错动力学（3D-DDD）模拟手段，系统性揭示了凝固胞状结构中不同位错类型的形成机理及其对热稳定性的影响。

如图1所示，研究发现：位错胞中绝大部分位错为统计储存位错（SSD），因此其取向差极小（<0.1°）。亚晶界（SGB）往往与凝固胞状结构边界重合，并且具有更高的几何必需位错（GND）。TEM-EDS结合HR-EBSD结果表明，在存在Cr元素偏析的位错胞中，螺位错类型占主导地位。而在Cr元素无明显偏析的位错胞中，探测到了刃位错为主的位错结构。

上述结果表明：不同位错类型与Cr元素偏析相关，这是由于Cr元素偏析导致局部层错能的下降，大大提高了该区域螺位错的稳定性，最终形成螺位错占主导的位错结构。

▲图1胞状结构种不同位错类型的形成机理

研究团队进一步阐明了不同位错类型对胞状结构热稳定性的影响规律及其内在机理（图2）：螺位错可以促进位错从位错胞/SGBs中脱钉，导致其具有较高的迁移/湮灭能力。相比之下，刃位错占主导的位错结构迁移需要位错之间相互协同运动，大大降低了其迁移速度，从而表现出更高的热稳定性。SGBs迁移过程中，不断捕获相邻的位错，因此，其取向差的增大或降低取决于相邻位错的符号。

本研究强调了位错类型在凝固胞状结构热稳定性中的重要作用。此外，研究成果还为如何通过调节局部化学成分/层错能实现对位错类型的调控提供新的思路。

▲图2位错类型对亚晶界/位错胞热稳定性影响

研究团队感谢云耀深维（江苏）在LPBF样品制备上提供的技术支持。上述研究工作得到了国家自然科学基金（52101022, 12222209, 52101202）和国家重点研发计划（2022YFE0196600）的资助，也是团队近期在增材制造奥氏体不锈钢凝固胞状结构演变机理（Materials Research Letters 2024, 12(1):42-49）和高强韧机理（International Journal of Plasticity, 2023,170:103769）基础上的进一步拓展。

来源
多尺度力学 l

上海交大材料学院安大勇副教授、陈军教授团队在Advanced Science上发表增材制造奥氏体不锈钢胞状结构热稳定机理研究成果

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