Advanced Materials: 多拓扑结构的轻质高强钛合金机械超材料

自然界中的多孔材料体现了生物体高效分配质量以同时实现高结构效率和多功能性的巧妙设计方式。金属3D打印技术的日渐成熟为设计制备复杂多孔结构的轻质高强金属材料提供了可靠的创新基础。

近期，澳大利亚皇家墨尔本理工大学杰出教授马前团队在多拓扑结构轻质高强钛合金材料的设计与制备方面取得进展。 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扑结构点阵材料（TP-HSL）。 该结构的设计思想是基于如前所述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性的设计方式，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。

研究团队利用激光粉末床熔融打印技术（LPBF）和常用的钛合金Ti-6Al-4V 制备了所设计的多拓扑结构点阵材料（TP-HSL）。这些结构与目前所报道的各类金属多孔材料相比，显示出了优异的力学性能（低密度，高屈服强度）。如图二所示。其相对屈服强度（图中的蓝色空心三角符号）明显超过现有的经验极限 ，这在以前尚未报道过。

该类多拓扑结构的多孔材料设计可用不同的合金进行3D打印制备，具备多用途， 因此有望成为轻质高强多功能金属多孔材料的一类重要组成部分。

该工作于近期发表于Advanced Materials: “Titanium multi-topology metamaterials with exceptional strength”, 2024, 2308715, DOI:10.1002/adma.202308715.

图一：多拓扑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的多拓扑结构。 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的多拓扑结构钛合金材料。

图二：所打印的多拓扑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扑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）。

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