港城大-南科大-北科大《Science》子刊：材料-結構-功能一體化增材制造鋁基力學超材料

增材制造（3D打印）正在重塑高性能材料的開發路徑，為復雜構件快速成型及新合金設計提供了前所未有的技術支撐。在這一背景下，力學超材料因其可設計的異質結構與卓越性能，成為結構功能一體化領域的研究熱點。然而，傳統超材料往往難以在輕質性與高強度、高穩定性之間取得理想平衡，限制了其實際工程應用。為攻克該難題，本研究提出“材料–結構–功能”一體化策略，采用激光粉末床熔融技術成功制備出具有跨尺度協同增強效應的鋁基超材料。該材料不僅在密度（0.91 ± 0.01 g/cm3）與相對屈服強度（17.0 ± 0.7%）方面表現優異，其比能量吸收值更是達到創紀錄的39.1 ± 0.7 J/g，顯著超越現有鋁基及多數金屬超材料水平。該研究為開發新一代抗沖擊、輕量化工程部件提供了可行范式。

研究背景：從“材料–結構分離”到“跨尺度協同”

高性能金屬構件是航空航天、交通運輸、能源裝備等領域的關鍵基礎件，對其輕量化、高強度與高可靠性的要求日益提升。傳統性能提升路徑主要分為兩類：一是在材料層面，通過合金設計與微觀組織調控優化性能；二是在結構層面，借助拓撲優化實現宏觀構型的力學增強。然而，將材料與結構在多個尺度上進行一體化設計，以激發協同增強效應，仍是一個具有挑戰性的科學問題。

力學超材料（亦稱機械超材料或晶格材料）通過人為設計在微觀至宏觀尺度上賦予結構特殊性能，如高強度、超彈性或高效能量吸收。金屬增材制造，特別是L-PBF技術，為實現“材料–結構”一體化設計提供了理想平臺。然而，現有研究仍面臨雙重瓶頸：在材料端，廣泛使用的Al-Si系合金力學性能有限，而高強鋁合金在L-PBF快速凝固過程中極易產生熱裂紋；在結構端，多數設計仍停留于單一尺度優化，未能充分融合材料本征性能與結構構型優勢，導致能量吸收曲線波動大、綜合性能難以突破。

創新策略：雙重仿生與跨尺度設計

為應對上述挑戰，呂堅院士領導的香港城市大學宏橋輕質金屬創新研究院團隊聯合南方科技大學機械系朱強講席教授團隊與北京科技大學碳中和研究院等團隊提出了“材料–結構–功能”協同設計理念，融合高性能輕質鋁合金與仿生多級結構，推動超材料性能實現躍升。相關成果以題為“Bio-inspired material-structure-function integrated additive manufacturing of Al-based metamaterials with surpassing energy absorption"發表在頂尖期刊《Science Advances》上，通訊作者為香港城市大學呂堅院士與南方科技大學朱強講席教授。南科大賀喜同學，香港城市大學李干博士，南昌大學張磊教授（原香港城市大學博士后）與北京科技大學黃禹赫博士為論文共同第一作者。

論文鏈接:

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea0430

*材料層面：仿珊瑚真菌的異質晶粒結構設計

研究團隊借鑒珊瑚真菌系統中“熔池狀異質結構”的形態特征，開發出一種適用于L-PBF工藝的新型低密度高強度鋁合金。通過引入Zr元素，誘導析出L1?型Al?Zr納米顆粒，該顆粒與鋁基體形成共格界面，既能抑制熱裂紋產生，又可在快速凝固過程中促進“超細等軸晶+柱狀晶”雙模態晶粒組織的形成。該合金密度約為2.7 g/cm3，拉伸強度達360–370 MPa，延伸率為17–18%，為構建高性能超材料奠定了優質基材基礎。

*結構層面：英雄鼩鼱脊柱啟發的高穩定性吸能構型

在超材料結構設計中，團隊以英雄鼩鼱（Hero Shrew）的脊柱結構為靈感來源——這種小型哺乳動物的脊柱呈拱形且軸向高度緊湊，能夠承受相當于體重百倍的壓力。基于此，研究人員設計出具有“脊柱曲率”與“縱向窄–寬–窄分布”特征的多級孔洞結構。通過調控形狀因子與厚度因子，實現孔隙率65%–85%的精準控制，并將傳統簡單立方結構常見的“剪切帶失效”模式轉變為穩定的“逐層塌陷”，顯著提升了能量吸收的平穩性。

圖1“材料-結構-功能”一體化超材料的設計理念

性能驗證：多級強化機制與卓越綜合表現

微觀分析顯示，該超材料在多個尺度上均展現出強化特征：納米級Al?Zr析出相、亞微米胞狀結構與雙模態晶粒組織協同作用，顯著提升了材料的本征強度。在介觀尺度，仿生結構引導應力由節點–支柱連接處向頂點區域有序轉移，促進層間孔洞逐步閉合并誘發早期加工硬化，從而在宏觀尺度實現高而平穩的能量吸收。

圖2 增材制造鋁基超材料多尺度表征。

圖3超材料的壓縮性能。

圖4超材料變形機制分析。

性能測試結果表明：該超材料在保持超低密度（0.91 ± 0.01 g/cm3）的同時，相對屈服強度達17.0 ± 0.7%，比能量吸收值高達39.1 ± 0.7 J/g，不僅遠超已有鋁基超材料，也優于多數其他金屬基超材料，成功破解了“輕質”與“高強–高吸能”難以兼顧的困局。

圖5本研究鋁基超材料的優異性能（正文圖5）。

應用前景：從汽車防撞到航天著陸的輕量化解決方案

為驗證其工程適用性，研究團隊以汽車吸能盒為原型，1:1打印出150×85×162 mm3的超材料構件。與商用6061鋁合金吸能盒相比，該構件比能量吸收提升194.7%，屈服強度提升411.6%，展現出顯著的性能優勢。

圖6 汽車吸能盒力學性能對比。

除汽車防撞結構外，該超材料的設計理念與性能可擴展性使其在航天器著陸緩沖系統、深海裝備防護外殼等多個高附加值領域具有廣闊應用潛力。通過調節關鍵設計參數，還可根據不同場景的抗沖擊與輕量化需求進行定制化開發，為未來可持續工程結構的設計提供了重要技術儲備。

通訊作者簡介

呂堅院士（通訊作者）：法國國家技術科學院（NATF）院士、香港工程院（HKAE）院士、香港材料研究會理事長（HKMRS）、香港城市大學機械工程系講席教授、工學院院長、國家貴金屬材料工程研究中心香港分中心主任、先進結構材料中心主任。研究方向涉及先進結構與功能納米材料的制備和力學性能，結構與功能材料的設計及增材制造，圖靈及高熵合金催化劑在電解水制綠氫及燃料電池與污水處理，超高靈敏度表面增強拉曼光譜（SERS）及在心腦血管疾病早期快速診斷，環保，食品安全等領域的應用。中科院首批海外評審專家，中科院沈陽金屬所客座首席研究員，西安交通大學、東北大學、北京科技大學、南昌大學名譽教授，西北工業大學、上海交通大學和西南交通大學顧問教授，中科院知名學者團隊成員，2011年被法國國家技術科學院（NATF）選為院士，是該院300多位院士中首位華裔院士。2006年與2017年分別獲法國總統任命獲法國國家榮譽騎士勛章及法國國家榮譽軍團騎士勛章，2018年獲中國工程院光華工程科技獎。已取得86項歐、美（52項）、中發明專利授權，在本領域頂尖雜志Nature（封面文章），Science，Nature Materials，Nature Chemistry，Nature Water，Science Advances，Nature Communication，PNAS, Materials Today，Advanced Materials, JACS, Angew. Chem., JMPS, Acta Materialia 等專業期刊上發表論文650余篇，引用54000余次，H因子103（Google Scholar），2025年科睿唯安"全球高被引科學家"。個人主頁：https://scholars.cityu.edu.hk/en/persons/jianlu

朱強教授（通訊作者）：南方科技大學機械與能源工程系講席教授。1994年畢業于德國愛爾蘭根-紐倫堡大學材料科學專業，獲工學博士學位；曾任北京有色金屬研究總院副總工程師、首席專家、學術和學位委員會委員、國家有色金屬復合材料工程技術研究中心副主任、北京市金屬先進成形技術中心首創主任，科技部十二五《高品質特殊鋼和高溫合金》總體專家組專家。現為英國材料、礦業與礦物學會會士，第十五屆國際半固態技術委員會主席，中鑄協半固態技術工作委員會主任委員。先后參與或主持法國科學中心中法合作項目、德國國家自然基金項目、英國國家自然基金重點項目、英中國際合作項目以及康明斯全球渦輪增壓器關鍵部件壓葉輪和渦輪的壽命改進項目。近5年先后承擔國家科技支撐、外國資深學者項目，國際合作、重點研發計劃以及省市等縱向科研項目和企業合作橫向項目。曾獲國際合金及復合材料半固態加工技術杰出貢獻獎、北美國際半固態/擠壓鑄造大獎、兩次康明斯技術創新獎、深圳市科技進步一等獎、中國有色金屬工業科學技術獎一等獎。受邀多次在國際著名學術會議上作特邀報告，發表論文200余篇，編輯出版專著2本，國際發明專利1項及中國專利50項。個人主頁：https://faculty.sustech.edu.cn/zhuq

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。