3D打印的“超材料”强度超越比航天领域使用的最强合金还要强50%

【蜂耘网 新材料】澳洲科学家利用激光和金属粉末创造出超强、超轻的新型“超材料”，但这个听起来很科幻的发明概念却来自植物界的启发。

挑战：强而轻的材料，如碳纤维和石墨烯，被用来制造从医疗植入物到飞船的所有东西，而研发具有更高“强度重量比”的材料是许多材料科学家的目标。

为了实现这一目标，一些科学家把目光投向自然界，希望能够用金属复制维多利亚睡莲等植物中具有空心格状结构的方式，来制造出非常坚固的材料。

到目前为止，利用现有的制造技术所创造出来的合成材料还无法达到自然界中同类材料的强度，这主要是由于应力分布不均导致的问题。

皇家墨尔本理工大学先进制造和材料杰出教授Ma Qian表示：“理想情况下，所有复杂蜂窝状材料的应力都应均匀分布。然而对于大多数拓扑结构而言，对于大多数拓扑结构，通常只有不到一半的材料主要承担压缩应力，而较大体积的材料则作用不大。”

利用先进的金属3D打印技术，Ma Qian的团队现在创造了一种新型“超材料”——一种具有自然界中未见特性的人造材料。这种超材料的网状结构可以更均匀地分布载荷应力。

在测试中，他们用一种普通的钛合金制造的超材料被证明比航空航天领域使用的密度相似的最强合金还要强50%。

Ma Qian解释道：“我们设计了一种空心管状的网状结构，内部有一条细细的环带。这两个元素结合在一起，展现出自然界从未见过的强度和轻盈度。通过有效融合两种互补的网状结构来均匀分布应力，我们避免了应力通常集中的薄弱环节。”

先前设计（左）中应力集中的区域以红色和黄色显示。在新结构（右）中，应力分布更加均匀。

为了创造这种超强超材料，皇家墨尔本理工大学团队采用了一种名为“激光粉末床熔融”的3D打印技术，这与传统的逐层挤出的3D打印非常不同。

这种技术的工作原理是将一层金属粉末铺在打印机的底座上。然后使用激光器按照所需的图案熔化粉末。接着在工作台上添加另一层粉末，并重复该过程，新熔化的金属会与下方的金属结合在一起。

虽然这种技术使制造独特的超材料成为可能，但它也可能会成为将超材料从实验室推向现实世界应用的障碍，至少在最初阶段是这样。

该论文的第一作者乔丹·诺罗纳 (Jordan Noronha) 表示：“传统制造工艺并不适用于制造这些复杂的金属超材料，而且并不是每个人仓库里都有一台激光粉末床熔融机。”

他接着说：“然而，随着技术的发展，这种技术将变得更加容易获得，打印过程也将变得更加快速，使更多的人能够将我们这种高强度多拓扑超材料应用到他们的组件中。”

（蜂耘新材料网　责任编辑：科技蜜）