香港城市大學(xué) l 3D打印中熵合金超材料，破解極端沖擊難題

來(lái)源：科研新知

在航空航天領(lǐng)域，對(duì)材料的輕質(zhì)、高強(qiáng)度和抗沖擊性能要求極高。殼基微架構(gòu)多組元合金能夠滿足這些要求，可用于制造飛機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)部件、航天器的防護(hù)罩等，有助于提高飛行器的安全性和性能，同時(shí)降低其重量，從而減少燃料消耗和運(yùn)營(yíng)成本。在高端裝備制造領(lǐng)域，如機(jī)械制造、電子設(shè)備制造等，該合金可用于制造高精度、高性能的機(jī)械零部件和電子設(shè)備外殼等，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，降低設(shè)備的維護(hù)成本?！?br />

機(jī)械超材料通過(guò)融合輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理與獨(dú)特變形機(jī)制可實(shí)現(xiàn)極端力學(xué)性能。然而，現(xiàn)有研究多聚焦于其準(zhǔn)靜態(tài)特性，而在實(shí)際應(yīng)用相關(guān)的宏觀尺度下，材料在極端動(dòng)態(tài)條件下的行為機(jī)制仍屬研究盲區(qū)。本研究提出一種融合殼基微架構(gòu)與低堆垛層錯(cuò)能（SFE）的金屬3D打印中熵合金（MEA）的協(xié)同策略，實(shí)現(xiàn)了宏觀尺度下的極端沖擊耗散。研究表明：相較于傳統(tǒng)桁架結(jié)構(gòu)形態(tài)，殼基架構(gòu)能將超材料的有效動(dòng)態(tài)應(yīng)力提升一個(gè)量級(jí)，從而更早觸發(fā)合金的多尺度增韌機(jī)制；中熵合金的低堆垛層錯(cuò)能特性支持多類型晶體缺陷的協(xié)同演化，使其應(yīng)變硬化行為在跨越七個(gè)數(shù)量級(jí)的應(yīng)變速率范圍內(nèi)持續(xù)有效。這些基礎(chǔ)性見解為開發(fā)可工程化應(yīng)用的輕質(zhì)抗沖擊超材料體系，特別是在重大裝備防護(hù)與國(guó)防安全領(lǐng)域奠定了理論基石。

Fig. 1. Fabrication and multiscale characterization of HR-SLM MEA microlattices across various strain rates

研究亮點(diǎn)解讀
（1）跨尺度能量耗散突破
基于自主研發(fā)高分辨率選擇性激光熔化（HR-SLM）技術(shù)，成功制備輕質(zhì)CoCrNi中熵合金（MEA）微架構(gòu)超材料，其能量耗散性能跨越七個(gè)數(shù)量級(jí)應(yīng)變速率范圍（準(zhǔn)靜態(tài)至極端動(dòng)態(tài)），超越現(xiàn)有超材料與合金體系。

（2）協(xié)同機(jī)制創(chuàng)新
揭示殼基三周期極小曲面（TPMS）架構(gòu)與低堆垛層錯(cuò)能（SFE）合金的本征協(xié)同效應(yīng)：
✔動(dòng)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)化：TPMS架構(gòu)通過(guò)增強(qiáng)慣性響應(yīng)，使動(dòng)態(tài)應(yīng)力較傳統(tǒng)桁架結(jié)構(gòu)提升量級(jí)，提前激活合金增韌機(jī)制；
✔多缺陷協(xié)同演化：HR-SLM工藝誘導(dǎo)的高密度位錯(cuò)胞與低SFE介導(dǎo)的層錯(cuò)/孿晶多尺度變形機(jī)制協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)寬應(yīng)變率域持續(xù)應(yīng)變硬化。

（3）多模態(tài)機(jī)理解析
結(jié)合顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描（μCT）、電子背散射衍射（EBSD）、高分辨透射電鏡（HRTEM）與有限元分析（FEA），首次建立增材制造多組元合金動(dòng)態(tài)增韌機(jī)制與三維超材料沖擊響應(yīng)的跨尺度關(guān)聯(lián)。

（4）工程化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
提出抗沖擊超材料三大核心參數(shù)：
✔大應(yīng)變致密化優(yōu)化：通過(guò)結(jié)構(gòu)自接觸最大化塑性耗散；
✔慣性響應(yīng)調(diào)控：強(qiáng)化應(yīng)變速率敏感的動(dòng)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)；
✔低SFE材料設(shè)計(jì)：促進(jìn)多類型缺陷持續(xù)演化以延長(zhǎng)硬化區(qū)間。

（5）應(yīng)用范式革新
為國(guó)防裝備、航空航天及汽車工業(yè)的輕量化抗沖擊結(jié)構(gòu)提供逆向設(shè)計(jì)框架，填補(bǔ)宏觀尺度超材料動(dòng)態(tài)力學(xué)行為研究的理論空白。

Fig. 2. Quasi-static mechanical characterization of HR-SLM MEA microlattices

文章總結(jié)
本研究通過(guò)自主研發(fā)的高分辨率選擇性激光熔化（HR-SLS）系統(tǒng)研制出CoCrNi中熵合金（MEA）輕質(zhì)微架構(gòu)超材料，其在寬應(yīng)變速率范圍（跨越七個(gè)數(shù)量級(jí)）內(nèi)展現(xiàn)出超常規(guī)能量耗散能力，性能指標(biāo)顯著優(yōu)于現(xiàn)有超材料及合金體系。該研究成功建立了兩個(gè)傳統(tǒng)獨(dú)立研究方向——沖擊載荷下的三維超材料力學(xué)行為與增材制造多組元合金的極端動(dòng)態(tài)增韌機(jī)制——之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。結(jié)合失效后的顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描（μCT）三維重構(gòu)、電子背散射衍射（EBSD）、高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）及有限元分析（FEA），揭示了HR-SLM制備的中熵合金本征耗能機(jī)制與超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)間的協(xié)同作用規(guī)律。研究表明：相較于桁架結(jié)構(gòu)，基于三周期極小曲面（TPMS）的構(gòu)型在動(dòng)態(tài)加載下可產(chǎn)生更顯著的慣性響應(yīng)，使得材料在特定應(yīng)變速率下具有更高的動(dòng)態(tài)應(yīng)力水平，從而提前激活低堆垛層錯(cuò)能（SFE）合金的增韌機(jī)制。該工作不僅證明了殼基微架構(gòu)多組元合金作為宏觀尺度高性能抗沖擊材料的可行性，更為這一研究匱乏的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為研究提供了機(jī)理層面的新認(rèn)知。相關(guān)發(fā)現(xiàn)可為多應(yīng)變速率下兼具輕量化與高抗損傷特性的新一代機(jī)械超材料提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

Fig. 3. Dynamic testing and architecture-induced dynamic toughening

Fig. 4. Quasi-static and dynamic performance comparison of our HR-SLM MEA microlattices against existing micro-architected metamaterials and metals/alloys

論文信息
文章標(biāo)題：Exploiting multiscale dynamic toughening in multicomponent alloy metamaterials for extreme impact mitigation

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt0589期刊：Science Advances
DOI: 10.1126/sciadv.adt0589

發(fā)表日期：2025年5月7日