强50%！3D打印钛金属超材料展现超自然力量！

| 3DScienceValley · 2024/02/27

超材料是一种通过人工微结构在亚波长尺度内精确调控物理场的复合材料或结构阵列，是近年来由科学界兴起、被工程界广为关注的全新材料构建范式，不仅在宏观上展现出超越传统天然材料的奇异特性，还可实现结构功能一体化。

根据3D科学谷此前发布的《马前教授团队 l 显著超越Gibson-Ashby模型上限的轻质高强金属机械超材料》一文，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。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。该工作以题为“Titanium multi-topology metamaterials with exceptional strength”, 发表于Advanced Materials 2024, 2308715, DOI: 10.1002/adma.202308715.

▲ 澳大利亚皇家墨尔本理工大学杰出教授马前团队
© RMIT

过去十年，旨在设计、模拟、制造和表征不同类型的超材料的研究在广度和深度上都出现了爆炸性增长。这种前所未有的增长主要发生在三大发展的交汇处，这些发展相互加强，并促进了超材料的研究。增材制造-3D打印技术在超材料设计开发与制造中发挥了重要作用，特别是，可以在不同的长度尺度上制造功能材料和结构，不同材料在一个单一结构中具有任意复杂的多相分布，具有截然不同的机械和物理特性。

根据3D科学谷的市场观察，新的加工技术正在赋能新材料开发：通过加工工艺与材料开发的深度结合，纳米材料增强合金、等轴细晶合金、梯度合金、非晶态金属、自愈合合金、超导材料、金属有机骨架材料的研发从微观层面上呈现出材料技术的潜能。

▲ 超材料
© 3D科学谷白皮书

来自自然本身的灵感

超材料的设计思想是新颖的，这一思想的基础是通过在多种物理结构上的设计来突破某些表观自然规律的限制，从而获得超常的材料功能。超材料的设计思想昭示人们可以在不违背基本的物理学规律的前提下，人工获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”，把功能材料的设计和开发带入一个崭新的天地。（参考知乎）

3D 打印的“超材料”可以改变人类制造从医疗植入物到飞机或火箭零件等各种物品的方式。
皇家墨尔本理工大学的研究人员用普通的钛合金创造了这种新的超材料，正是该材料独特的晶格结构设计使它的性能变得不同寻常：
测试表明，它比当前航空航天应用中使用的类似密度的前沿最强合金强 50%。
皇家墨尔本理工大学3D打印钛金属超材料的设计中由空心支柱制成的格子结构最初受到大自然的启发：维多利亚睡莲或耐寒的风琴管珊瑚（Tubipora musica）等坚固的空心茎植物展示了将轻盈和强度结合起来的方法。

其设计思想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。

正如皇家墨尔本理工大学杰出教授马前所解释的那样，数十年来在金属中应用这些空心“蜂窝结构”的尝试经常因可制造性和负载应力集中在空心支柱内部区域的常见问题而受挫，从而导致过早失效。理想情况下，所有复杂多孔材料中的压力应该均匀分布，然而，对于大多数拓扑结构来说，通常只有不到一半的材料主要承受压缩载荷，而较大体积的材料在结构上无关紧要。

金属3D打印为这些问题提供了前所未有的创新解决方案… …

均匀分布应力

将3D打印设计推向极限，皇家墨尔本理工大学的研究团队优化了一种新型晶格结构，以更均匀地分布应力，从而提高其强度或结构效率。研究团队设计了一种空心管状晶格结构，内部有一条细带。这两种元素一起展现了自然界中力量和轻盈的结合。通过有效地合并两个互补的晶格结构来均匀分布应力，避免了应力通常集中的弱点。

测试表明，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。这种材料的强度、生物相容性、耐腐蚀性和耐热性使其成为从骨科植入物到飞机或火箭部件等许多应用有前途的候选者。

与目前在需要高强度和轻重量的商业应用中使用的最强的可用铸造镁合金相比，具有相当密度的钛超材料被证明要坚固得多，或者在压缩载荷下不易发生永久形状变化。研究团队计划进一步改进该材料以实现最大效率，并探索在更高温度环境中的应用。虽然目前可耐受高达 350 °C 的温度，但研究团队相信使用更耐热的钛合金可以使其耐受高达 600 °C 的温度，用于航空航天或消防无人机中的应用。