Gibson-Ashby模型是描述多孔材料力学性能和密度的经典公式，广泛用于包括机械超材料在内的各类多孔金属材料的设计或性能预测。自从2000年代初金属3D打印被广泛用于金属机械超材料的制备以来，虽然研究者们对金属机械超材料的性能调控进行了深入的研究，但其力学性能（例如相对屈服强度与相对密度的关系）一般难以系统地突破Gibson-Ashby模型的经验上限。
马前教授团队发表的相关论文
近期，澳大利亚皇家墨尔本理工大学杰出教授马前团队通过采用多拓扑结构设计方案（见图一）和激光粉床3D打印，制备了多孔体轻质高强钛合金。在20-40% 的相对密度范围内，相对屈服强度系统性地显著超越了Gibson-Ashby模型的上限 （见图二）。其中，与目前最强的商业镁合金WE54相比（屈服强度=165 MPa）， 在同样的密度相情况下 (1.8 g/cm3)，屈服强度(263 MPa) 要高出60%左右。
该工作近期以题为“Titanium multi-topology metamaterials with exceptional strength”, 发表于Advanced Materials 2024, 2308715, DOI: 10.1002/adma.202308715.
其设计思想如图一所示，在空心杆结构的母体点阵材料 (HSL) 中贯穿一个薄板结构的点阵材料 (TPL) , 从而形成一个创新的多拓朴结构点阵材料（TP-HSL）。该结构的设计思想是基于自然界中多孔材料体质量高效分配以实现结构效率和多功能特性的巧妙的设计方式，而且在每个主要的加载或受力方向，其结构均匀对称，性能一致。该类多拓扑结构钛合金材料有望在多个领域获得应用， 包括航空航天、医疗器械、 化学工程和新能源生产等领域。
图一：多拓朴结构的多孔钛合金材料设计示意图。设计的钛合金多孔材料密度为1.0-1.8 g/cm3. 其中的蓝色结构部分为母体的空心杆结构的点阵材料 (HSL), 而贯穿于其中的其中的黄色结构部分为薄板结构的点阵材料 (TPL)。两者紧密结合成TP-HSL的多拓朴结构。图的底部所显示的三个样品为打印后密度为1.0-1.8 g/cm3的多拓朴结构钛合金材料。
图二：所打印的多拓朴结构的多孔钛合金材料性能（屈服强度，弹性模量，相对密度）与现有各类多孔金属材料性能对比。图中的红色破折线为现有多孔金属材料的经验强度极限。蓝色空心三角符号代表了多拓朴结构多孔钛合金材料（TP-HSL）的力学性能，其相对屈服强度明显超过现有的经验强度极限 （上图），而其相对弹性模量与目前最好的多孔金属材料的性能相当（下图）。
上述研究工作再次证明了金属机械超材料作为新一代轻质高强多孔金属材料的潜力。有理由相信，随着结构设计的不断创新，金属机械超材料的性能将会有进一步的突破。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202308715
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