香港城市大學 l 3D打印中熵合金超材料，破解極端沖擊難題

來源：科研新知

在航空航天領域，對材料的輕質、高強度和抗沖擊性能要求極高。殼基微架構多組元合金能夠滿足這些要求，可用于制造飛機的機身結構、發(fā)動機部件、航天器的防護罩等，有助于提高飛行器的安全性和性能，同時降低其重量，從而減少燃料消耗和運營成本。在高端裝備制造領域，如機械制造、電子設備制造等，該合金可用于制造高精度、高性能的機械零部件和電子設備外殼等，提高設備的穩(wěn)定性和可靠性，延長設備的使用壽命，降低設備的維護成本。”

機械超材料通過融合輕質化結構設計原理與獨特變形機制可實現(xiàn)極端力學性能。然而，現(xiàn)有研究多聚焦于其準靜態(tài)特性，而在實際應用相關的宏觀尺度下，材料在極端動態(tài)條件下的行為機制仍屬研究盲區(qū)。本研究提出一種融合殼基微架構與低堆垛層錯能（SFE）的金屬3D打印中熵合金（MEA）的協(xié)同策略，實現(xiàn)了宏觀尺度下的極端沖擊耗散。研究表明：相較于傳統(tǒng)桁架結構形態(tài)，殼基架構能將超材料的有效動態(tài)應力提升一個量級，從而更早觸發(fā)合金的多尺度增韌機制；中熵合金的低堆垛層錯能特性支持多類型晶體缺陷的協(xié)同演化，使其應變硬化行為在跨越七個數(shù)量級的應變速率范圍內持續(xù)有效。這些基礎性見解為開發(fā)可工程化應用的輕質抗沖擊超材料體系，特別是在重大裝備防護與國防安全領域奠定了理論基石。

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，成功制備輕質CoCrNi中熵合金（MEA）微架構超材料，其能量耗散性能跨越七個數(shù)量級應變速率范圍（準靜態(tài)至極端動態(tài)），超越現(xiàn)有超材料與合金體系。

（2）協(xié)同機制創(chuàng)新
揭示殼基三周期極小曲面（TPMS）架構與低堆垛層錯能（SFE）合金的本征協(xié)同效應：
✔動態(tài)應力場強化：TPMS架構通過增強慣性響應，使動態(tài)應力較傳統(tǒng)桁架結構提升量級，提前激活合金增韌機制；
✔多缺陷協(xié)同演化：HR-SLM工藝誘導的高密度位錯胞與低SFE介導的層錯/孿晶多尺度變形機制協(xié)同作用，實現(xiàn)寬應變率域持續(xù)應變硬化。

（3）多模態(tài)機理解析
結合顯微計算機斷層掃描（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態(tài)增韌機制與三維超材料沖擊響應的跨尺度關聯(lián)。

（4）工程化設計準則
提出抗沖擊超材料三大核心參數(shù)：
✔大應變致密化優(yōu)化：通過結構自接觸最大化塑性耗散；
✔慣性響應調控：強化應變速率敏感的動態(tài)應力場；
✔低SFE材料設計：促進多類型缺陷持續(xù)演化以延長硬化區(qū)間。

（5）應用范式革新
為國防裝備、航空航天及汽車工業(yè)的輕量化抗沖擊結構提供逆向設計框架，填補宏觀尺度超材料動態(tài)力學行為研究的理論空白。

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

文章總結
本研究通過自主研發(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）輕質微架構超材料，其在寬應變速率范圍（跨越七個數(shù)量級）內展現(xiàn)出超常規(guī)能量耗散能力，性能指標顯著優(yōu)于現(xiàn)有超材料及合金體系。該研究成功建立了兩個傳統(tǒng)獨立研究方向——沖擊載荷下的三維超材料力學行為與增材制造多組元合金的極端動態(tài)增韌機制——之間的內在關聯(lián)。結合失效后的顯微計算機斷層掃描（μCT）三維重構、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制與超材料結構設計間的協(xié)同作用規(guī)律。研究表明：相較于桁架結構，基于三周期極小曲面（TPMS）的構型在動態(tài)加載下可產生更顯著的慣性響應，使得材料在特定應變速率下具有更高的動態(tài)應力水平，從而提前激活低堆垛層錯能（SFE）合金的增韌機制。該工作不僅證明了殼基微架構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態(tài)力學行為研究提供了機理層面的新認知。相關發(fā)現(xiàn)可為多應變速率下兼具輕量化與高抗損傷特性的新一代機械超材料提供設計依據(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