客家土樓“骨架-填充”結(jié)構(gòu)啟發(fā)3D打印高強度納米多孔銅超材料?

來源：航空航天力學(xué)

上海交通大學(xué)顧劍鋒長聘教授聯(lián)合皇家墨爾本理工大學(xué)馬前杰出教授在《Advanced Materials》發(fā)表論文“Skeletal High-Strength Nanoporous Copper and Metamaterials: The Hakka Tulou Design Heritage”，從客家土樓“竹木骨架—夯土墻體”的獨特結(jié)構(gòu)中獲得靈感，提出“骨架型”納米多孔銅的設(shè)計理念。研究通過凝固偏析與選擇性去合金工藝，構(gòu)建出不可去合金化骨架與可去合金化基體相結(jié)合的多尺度結(jié)構(gòu)，有效提升了材料的整體強韌性與功能集成能力。該策略突破了傳統(tǒng)去合金技術(shù)在尺寸與完整性上的限制，為開發(fā)兼具高強度、輕質(zhì)性與多功能性的納米多孔金屬超材料提供了新思路。

納米多孔結(jié)構(gòu)金屬因連通的納米孔道而具備高比表面積與多功能潛力，但力學(xué)承載能力弱與結(jié)構(gòu)完整性不足長期制約其工程應(yīng)用。本研究從客家土樓“竹木骨架—夯土墻體”的長期耐久性汲取啟發(fā)，提出在可去合金化基體中內(nèi)嵌一套不可去合金化、延展且強韌的三維骨架相，將多孔結(jié)構(gòu)“分艙化”，把局部失效局域化，在保持結(jié)構(gòu)功能孔隙優(yōu)勢的同時改善整體承載與完整性。

圖1揭示了骨架型高強納米多孔銅超材料的啟示來源。借助“骨架相—主體相”的空間協(xié)同，把傳統(tǒng)建筑中的“骨架支撐/填充分艙”思想，轉(zhuǎn)譯為納米多孔銅的雙相前驅(qū)體設(shè)計：去合金化后獲得“骨架支撐 + 納米孔道”的復(fù)合架構(gòu)，實現(xiàn)功能孔隙與承載路徑的解耦與互補。a圖展示了典型客家土樓；b圖是客家土樓的微小單元剖面示意，進(jìn)一步刻畫土樓墻體：骨架框架嵌入壓實而仍含孔隙的土體；c圖將建筑原理映射到材料微結(jié)構(gòu)。

圖1. 骨架型高強納米多孔銅超材料源自客家土樓建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計啟示。

圖2展示了去合金后的“土樓式”三維微結(jié)構(gòu)。a圖是通過2500張F(tuán)IB-SEM圖像重構(gòu)得到的三維體，黃虛線代表不可去合金化的富Cu骨架相，展示了其在微米尺度上的三維互連特征。b–d分別是該立方體的左側(cè)、后側(cè)和底部表面切片的顯微結(jié)構(gòu)視圖，進(jìn)一步證明了骨架相將納米多孔銅基體分隔為類似“分艙”的結(jié)構(gòu)。

圖2. 通過激光粉末床熔融制造的錳—銅合金去合金化微觀結(jié)構(gòu)。

圖3描述了骨架的納米多孔銅結(jié)構(gòu)與無骨架的納米多孔銅力學(xué)結(jié)構(gòu)在力學(xué)性能上的對比關(guān)系。a圖對比了兩類納米多孔銅結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線，帶骨架的曲線明顯更“高”，其屈服點和峰值強度均顯著高于無骨架樣品，說明骨架在承載中發(fā)揮了“承重墻”的作用。b圖進(jìn)一步給出了兩類納米多孔銅的力學(xué)指標(biāo)對比，其中骨架納米多孔銅的屈服強度達(dá)到200.4±21.1 MPa，相比無骨架樣品提升了62%；其峰值強度達(dá)到239.3±35.0 MPa，提升幅度高達(dá)70%；而比強度則提升了60%，達(dá)到60.7±6.5 MPa·cm3·g?1。這些具體數(shù)值的對照，充分揭示了骨架設(shè)計帶來的顯著優(yōu)勢。c–d 圖則擴(kuò)展到與已有的其他納米多孔金屬進(jìn)行橫向比較，可以清晰看到，骨架納米多孔銅不僅在強度參數(shù)上遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的納米多孔銅材料，而且性能還優(yōu)于一些已經(jīng)經(jīng)過特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化的多孔體系。同時，研究團(tuán)隊還利用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（microArch? S240，精度：10μm）制備出多孔聚合物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究骨架對裂紋擴(kuò)展的影響（圖5）。

圖3. 有無骨架的納米多孔銅結(jié)構(gòu)力學(xué)性能對比。

圖4. 評估利用3D打印多孔聚合物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究骨架對裂紋擴(kuò)展的影響。

圖5呈現(xiàn)了骨架納米多孔銅在宏觀點陣結(jié)構(gòu)中的力學(xué)性能優(yōu)勢。a圖給出了樣品的CAD設(shè)計圖和實際制備后的實物照片，可以看到通過增材制造與選擇性去合金工藝相結(jié)合，研究團(tuán)隊成功構(gòu)筑了帶有骨架–納米孔層級結(jié)構(gòu)的點陣結(jié)構(gòu)。局部放大的顯微圖進(jìn)一步揭示了骨架相與納米韌帶共同存在的層級特征。c–d圖對比了兩類點陣在單軸壓縮下的應(yīng)力–應(yīng)變響應(yīng)。盡管兩者在變形模式上類似，但帶骨架點陣的強度表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，其屈服強度比對照點陣高出2.4–3.1 倍，說明骨架在提升宏觀承載能力方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。e圖進(jìn)一步總結(jié)了各類點陣的強度差異，其中由骨架納米多孔銅構(gòu)成的正方形蜂窩點陣表現(xiàn)尤為突出，其強度不僅比理論模型高出800%，比強度更是超過了對應(yīng)的致密 Cu–Mn合金。

圖5. 骨架納米多孔銅點陣的力學(xué)性能優(yōu)勢。

圖6進(jìn)一步揭示了骨架納米多孔銅點陣在力學(xué)性能上的“越界表現(xiàn)”。 這幅圖將實驗結(jié)果與經(jīng)典的Gibson–Ashby模型 進(jìn)行了對比。該模型是評價多孔金屬力學(xué)性能的經(jīng)驗標(biāo)度關(guān)系，預(yù)測屈服強度與相對密度成線性關(guān)系，大多數(shù)傳統(tǒng)金屬點陣結(jié)構(gòu)（包括對照點陣）都落在這條曲線或其下方。然而，從圖中可以清楚看到，骨架納米多孔銅點陣的數(shù)據(jù)點遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于理論曲線。這意味著，它的強度–密度關(guān)系已經(jīng)突破了傳統(tǒng)規(guī)律，不再受限于“孔隙率升高會導(dǎo)致強度下降”的固有矛盾，而是在保持輕質(zhì)的同時依舊獲得了超常的高強度。

圖6. 骨架納米多孔銅點陣與現(xiàn)有點陣的力學(xué)性能比較。

總結(jié)：本研究以“客家土樓”的建筑理念為靈感，提出并實現(xiàn)了一種全新的骨架納米多孔銅設(shè)計。 研究團(tuán)隊通過增材制造結(jié)合選擇性去合金化工藝，在材料內(nèi)部同時構(gòu)筑了不可去合金化的富Cu骨架與納米多孔基體，形成了獨特的“骨架–分艙”層級結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)表征結(jié)果表明，這種結(jié)構(gòu)能夠有效抑制韌帶粗化、顯著提升材料的承載能力。實驗測試顯示，骨架納米多孔銅的屈服強度和峰值強度分別比無骨架結(jié)構(gòu)提升62%和70%，比強度超過60 MPa·cm3·g?1，性能不僅優(yōu)于傳統(tǒng)納米多孔金屬，也超越了部分經(jīng)過特殊設(shè)計的多孔體系。進(jìn)一步在點陣尺度的驗證中，骨架納米多孔銅點陣的強度較對照組提高了2.4–3.1倍，甚至突破了Gibson–Ashby模型的經(jīng)驗極限，實現(xiàn)了輕質(zhì)、高強、多功能兼得。這一成果不僅解決了納米多孔金屬“高孔隙率–低強度”的長期難題，也為開發(fā)兼具功能性與結(jié)構(gòu)承載能力的新型輕質(zhì)材料提供了新思路。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202503701