增材制造（3D打印）正在重塑高性能材料的開發(fā)路徑，為復(fù)雜構(gòu)件快速成型及新合金設(shè)計(jì)提供了前所未有的技術(shù)支撐。在這一背景下，力學(xué)超材料因其可設(shè)計(jì)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)與卓越性能，成為結(jié)構(gòu)功能一體化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)超材料往往難以在輕質(zhì)性與高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性之間取得理想平衡，限制了其實(shí)際工程應(yīng)用。為攻克該難題，本研究提出“材料–結(jié)構(gòu)–功能”一體化策略，采用激光粉末床熔融技術(shù)成功制備出具有跨尺度協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)的鋁基超材料。該材料不僅在密度（0.91 ± 0.01 g/cm3）與相對(duì)屈服強(qiáng)度（17.0 ± 0.7%）方面表現(xiàn)優(yōu)異，其比能量吸收值更是達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的39.1 ± 0.7 J/g，顯著超越現(xiàn)有鋁基及多數(shù)金屬超材料水平。該研究為開發(fā)新一代抗沖擊、輕量化工程部件提供了可行范式。

研究背景：從“材料–結(jié)構(gòu)分離”到“跨尺度協(xié)同”

高性能金屬構(gòu)件是航空航天、交通運(yùn)輸、能源裝備等領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎(chǔ)件，對(duì)其輕量化、高強(qiáng)度與高可靠性的要求日益提升。傳統(tǒng)性能提升路徑主要分為兩類：一是在材料層面，通過合金設(shè)計(jì)與微觀組織調(diào)控優(yōu)化性能；二是在結(jié)構(gòu)層面，借助拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)現(xiàn)宏觀構(gòu)型的力學(xué)增強(qiáng)。然而，將材料與結(jié)構(gòu)在多個(gè)尺度上進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，以激發(fā)協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)，仍是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題。

力學(xué)超材料（亦稱機(jī)械超材料或晶格材料）通過人為設(shè)計(jì)在微觀至宏觀尺度上賦予結(jié)構(gòu)特殊性能，如高強(qiáng)度、超彈性或高效能量吸收。金屬增材制造，特別是L-PBF技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)“材料–結(jié)構(gòu)”一體化設(shè)計(jì)提供了理想平臺(tái)。然而，現(xiàn)有研究仍面臨雙重瓶頸：在材料端，廣泛使用的Al-Si系合金力學(xué)性能有限，而高強(qiáng)鋁合金在L-PBF快速凝固過程中極易產(chǎn)生熱裂紋；在結(jié)構(gòu)端，多數(shù)設(shè)計(jì)仍停留于單一尺度優(yōu)化，未能充分融合材料本征性能與結(jié)構(gòu)構(gòu)型優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致能量吸收曲線波動(dòng)大、綜合性能難以突破。

創(chuàng)新策略：雙重仿生與跨尺度設(shè)計(jì)

為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，呂堅(jiān)院士領(lǐng)導(dǎo)的香港城市大學(xué)宏橋輕質(zhì)金屬創(chuàng)新研究院團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南方科技大學(xué)機(jī)械系朱強(qiáng)講席教授團(tuán)隊(duì)與北京科技大學(xué)碳中和研究院等團(tuán)隊(duì)提出了“材料–結(jié)構(gòu)–功能”協(xié)同設(shè)計(jì)理念，融合高性能輕質(zhì)鋁合金與仿生多級(jí)結(jié)構(gòu)，推動(dòng)超材料性能實(shí)現(xiàn)躍升。相關(guān)成果以題為“Bio-inspired material-structure-function integrated additive manufacturing of Al-based metamaterials with surpassing energy absorption"發(fā)表在頂尖期刊《Science Advances》上，通訊作者為香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士與南方科技大學(xué)朱強(qiáng)講席教授。南科大賀喜同學(xué)，香港城市大學(xué)李干博士，南昌大學(xué)張磊教授（原香港城市大學(xué)博士后）與北京科技大學(xué)黃禹赫博士為論文共同第一作者。

論文鏈接:

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea0430

*材料層面：仿珊瑚真菌的異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

研究團(tuán)隊(duì)借鑒珊瑚真菌系統(tǒng)中“熔池狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)”的形態(tài)特征，開發(fā)出一種適用于L-PBF工藝的新型低密度高強(qiáng)度鋁合金。通過引入Zr元素，誘導(dǎo)析出L1?型Al?Zr納米顆粒，該顆粒與鋁基體形成共格界面，既能抑制熱裂紋產(chǎn)生，又可在快速凝固過程中促進(jìn)“超細(xì)等軸晶+柱狀晶”雙模態(tài)晶粒組織的形成。該合金密度約為2.7 g/cm3，拉伸強(qiáng)度達(dá)360–370 MPa，延伸率為17–18%，為構(gòu)建高性能超材料奠定了優(yōu)質(zhì)基材基礎(chǔ)。

*結(jié)構(gòu)層面：英雄鼩鼱脊柱啟發(fā)的高穩(wěn)定性吸能構(gòu)型

在超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，團(tuán)隊(duì)以英雄鼩鼱（Hero Shrew）的脊柱結(jié)構(gòu)為靈感來源——這種小型哺乳動(dòng)物的脊柱呈拱形且軸向高度緊湊，能夠承受相當(dāng)于體重百倍的壓力�；诖耍芯咳藛T設(shè)計(jì)出具有“脊柱曲率”與“縱向窄–寬–窄分布”特征的多級(jí)孔洞結(jié)構(gòu)。通過調(diào)控形狀因子與厚度因子，實(shí)現(xiàn)孔隙率65%–85%的精準(zhǔn)控制，并將傳統(tǒng)簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)常見的“剪切帶失效”模式轉(zhuǎn)變?yōu)榉�(wěn)定的“逐層塌陷”，顯著提升了能量吸收的平穩(wěn)性。

圖1“材料-結(jié)構(gòu)-功能”一體化超材料的設(shè)計(jì)理念

性能驗(yàn)證：多級(jí)強(qiáng)化機(jī)制與卓越綜合表現(xiàn)

微觀分析顯示，該超材料在多個(gè)尺度上均展現(xiàn)出強(qiáng)化特征：納米級(jí)Al?Zr析出相、亞微米胞狀結(jié)構(gòu)與雙模態(tài)晶粒組織協(xié)同作用，顯著提升了材料的本征強(qiáng)度。在介觀尺度，仿生結(jié)構(gòu)引導(dǎo)應(yīng)力由節(jié)點(diǎn)–支柱連接處向頂點(diǎn)區(qū)域有序轉(zhuǎn)移，促進(jìn)層間孔洞逐步閉合并誘發(fā)早期加工硬化，從而在宏觀尺度實(shí)現(xiàn)高而平穩(wěn)的能量吸收。

圖2 增材制造鋁基超材料多尺度表征。

圖3超材料的壓縮性能。

圖4超材料變形機(jī)制分析。

性能測(cè)試結(jié)果表明：該超材料在保持超低密度（0.91 ± 0.01 g/cm3）的同時(shí)，相對(duì)屈服強(qiáng)度達(dá)17.0 ± 0.7%，比能量吸收值高達(dá)39.1 ± 0.7 J/g，不僅遠(yuǎn)超已有鋁基超材料，也優(yōu)于多數(shù)其他金屬基超材料，成功破解了“輕質(zhì)”與“高強(qiáng)–高吸能”難以兼顧的困局。

圖5本研究鋁基超材料的優(yōu)異性能（正文圖5）。

應(yīng)用前景：從汽車防撞到航天著陸的輕量化解決方案

為驗(yàn)證其工程適用性，研究團(tuán)隊(duì)以汽車吸能盒為原型，1:1打印出150×85×162 mm3的超材料構(gòu)件。與商用6061鋁合金吸能盒相比，該構(gòu)件比能量吸收提升194.7%，屈服強(qiáng)度提升411.6%，展現(xiàn)出顯著的性能優(yōu)勢(shì)。

圖6 汽車吸能盒力學(xué)性能對(duì)比。

除汽車防撞結(jié)構(gòu)外，該超材料的設(shè)計(jì)理念與性能可擴(kuò)展性使其在航天器著陸緩沖系統(tǒng)、深海裝備防護(hù)外殼等多個(gè)高附加值領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用潛力。通過調(diào)節(jié)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，還可根據(jù)不同場(chǎng)景的抗沖擊與輕量化需求進(jìn)行定制化開發(fā)，為未來可持續(xù)工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了重要技術(shù)儲(chǔ)備。

通訊作者簡(jiǎn)介

呂堅(jiān)院士（通訊作者）：法國(guó)國(guó)家技術(shù)科學(xué)院（NATF）院士、香港工程院（HKAE）院士、香港材料研究會(huì)理事長(zhǎng)（HKMRS）、香港城市大學(xué)機(jī)械工程系講席教授、工學(xué)院院長(zhǎng)、國(guó)家貴金屬材料工程研究中心香港分中心主任、先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料中心主任。研究方向涉及先進(jìn)結(jié)構(gòu)與功能納米材料的制備和力學(xué)性能，結(jié)構(gòu)與功能材料的設(shè)計(jì)及增材制造，圖靈及高熵合金催化劑在電解水制綠氫及燃料電池與污水處理，超高靈敏度表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）及在心腦血管疾病早期快速診斷，環(huán)保，食品安全等領(lǐng)域的應(yīng)用。中科院首批海外評(píng)審專家，中科院沈陽金屬所客座首席研究員，西安交通大學(xué)、東北大學(xué)、北京科技大學(xué)、南昌大學(xué)名譽(yù)教授，西北工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)和西南交通大學(xué)顧問教授，中科院知名學(xué)者團(tuán)隊(duì)成員，2011年被法國(guó)國(guó)家技術(shù)科學(xué)院（NATF）選為院士，是該院300多位院士中首位華裔院士。2006年與2017年分別獲法國(guó)總統(tǒng)任命獲法國(guó)國(guó)家榮譽(yù)騎士勛章及法國(guó)國(guó)家榮譽(yù)軍團(tuán)騎士勛章，2018年獲中國(guó)工程院光華工程科技獎(jiǎng)。已取得86項(xiàng)歐、美（52項(xiàng)）、中發(fā)明專利授權(quán)，在本領(lǐng)域頂尖雜志Nature（封面文章），Science，Nature Materials，Nature Chemistry，Nature Water，Science Advances，Nature Communication，PNAS, Materials Today，Advanced Materials, JACS, Angew. Chem., JMPS, Acta Materialia 等專業(yè)期刊上發(fā)表論文650余篇，引用54000余次，H因子103（Google Scholar），2025年科睿唯安"全球高被引科學(xué)家"。個(gè)人主頁：https://scholars.cityu.edu.hk/en/persons/jianlu

朱強(qiáng)教授（通訊作者）：南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系講席教授。1994年畢業(yè)于德國(guó)愛爾蘭根-紐倫堡大學(xué)材料科學(xué)專業(yè)，獲工學(xué)博士學(xué)位；曾任北京有色金屬研究總院副總工程師、首席專家、學(xué)術(shù)和學(xué)位委員會(huì)委員、國(guó)家有色金屬?gòu)?fù)合材料工程技術(shù)研究中心副主任、北京市金屬先進(jìn)成形技術(shù)中心首創(chuàng)主任，科技部十二五《高品質(zhì)特殊鋼和高溫合金》總體專家組專家�，F(xiàn)為英國(guó)材料、礦業(yè)與礦物學(xué)會(huì)會(huì)士，第十五屆國(guó)際半固態(tài)技術(shù)委員會(huì)主席，中鑄協(xié)半固態(tài)技術(shù)工作委員會(huì)主任委員。先后參與或主持法國(guó)科學(xué)中心中法合作項(xiàng)目、德國(guó)國(guó)家自然基金項(xiàng)目、英國(guó)國(guó)家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目、英中國(guó)際合作項(xiàng)目以及康明斯全球渦輪增壓器關(guān)鍵部件壓葉輪和渦輪的壽命改進(jìn)項(xiàng)目。近5年先后承擔(dān)國(guó)家科技支撐、外國(guó)資深學(xué)者項(xiàng)目，國(guó)際合作、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃以及省市等縱向科研項(xiàng)目和企業(yè)合作橫向項(xiàng)目。曾獲國(guó)際合金及復(fù)合材料半固態(tài)加工技術(shù)杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)、北美國(guó)際半固態(tài)/擠壓鑄造大獎(jiǎng)、兩次康明斯技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)、深圳市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、中國(guó)有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。受邀多次在國(guó)際著名學(xué)術(shù)會(huì)議上作特邀報(bào)告，發(fā)表論文200余篇，編輯出版專著2本，國(guó)際發(fā)明專利1項(xiàng)及中國(guó)專利50項(xiàng)。個(gè)人主頁：https://faculty.sustech.edu.cn/zhuq

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝作者團(tuán)隊(duì)支持。