Advanced Materials: 多拓撲結構的輕質高強鈦合金機械超材料

自然界中的多孔材料體現了生物體高效分配質量以同時實現高結構效率和多功能性的巧妙設計方式。金屬3D打印技術的日漸成熟為設計制備復雜多孔結構的輕質高強金屬材料提供了可靠的創新基礎。

近期，澳大利亞皇家墨爾本理工大學杰出教授馬前團隊在多拓撲結構輕質高強鈦合金材料的設計與制備方面取得進展。 其設計思想如圖一所示，在空心桿結構的母體點陣材料 (HSL) 中貫穿一個薄板結構的點陣材料 (TPL) , 從而形成一個創新的多拓撲結構點陣材料（TP-HSL）。 該結構的設計思想是基于如前所述自然界中多孔材料體質量高效分配以實現結構效率和多功能性的設計方式，而且在每個主要的加載或受力方向，其結構均勻對稱，性能一致。

研究團隊利用激光粉末床熔融打印技術（LPBF）和常用的鈦合金Ti-6Al-4V 制備了所設計的多拓撲結構點陣材料（TP-HSL）。這些結構與目前所報道的各類金屬多孔材料相比，顯示出了優異的力學性能（低密度，高屈服強度）。如圖二所示。其相對屈服強度（圖中的藍色空心三角符號）明顯超過現有的經驗極限 ，這在以前尚未報道過。

該類多拓撲結構的多孔材料設計可用不同的合金進行3D打印制備，具備多用途， 因此有望成為輕質高強多功能金屬多孔材料的一類重要組成部分。

該工作于近期發表于Advanced Materials: “Titanium multi-topology metamaterials with exceptional strength”, 2024, 2308715, DOI:?10.1002/adma.202308715.

圖一：多拓撲結構的多孔鈦合金材料設計示意圖。設計的鈦合金多孔材料密度為1.0-1.8 g/cm³. ?其中的藍色結構部分為母體的空心桿結構的點陣材料 (HSL),?而貫穿于其中的其中的黃色結構部分為薄板結構的點陣材料 (TPL)。兩者緊密結合成TP-HSL的多拓撲結構。 圖的底部所顯示的三個樣品為打印后密度為1.0-1.8 g/cm³的多拓撲結構鈦合金材料。

圖二：所打印的多拓撲結構的多孔鈦合金材料性能（屈服強度，彈性模量，相對密度）與現有各類多孔金屬材料性能對比。圖中的紅色破折線為現有多孔金屬材料的經驗強度極限。藍色空心三角符號代表了多拓撲結構多孔鈦合金材料（TP-HSL）的力學性能，其相對屈服強度明顯超過現有的經驗強度極限 （上圖），而其相對彈性模量與目前最好的多孔金屬材料的性能相當（下圖）。

鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202308715