頂刊《Materials Today》:?突破壓縮性能天花板！仿生仿建筑超金屬材料

隨著全球對輕量化、高性能結構材料需求的不斷攀升，從新能源汽車到可重復使用火箭，從航空起落架到下一代生物醫用植入物，各行業都在迫切尋求兼具低密度、高強度與高可靠性的材料解決方案。過去的輕量化策略主要依賴于簡單的材料替代——例如用高比強度的纖維增強材料或鋁合金取代鋼材。然而，隨著應用環境變得更加嚴苛，這種思路逐漸顯現出局限性。

“結構創新”已成為新的研究方向：點陣結構、多孔金屬和力學超材料等新型材料體系不斷涌現，通過引入精心設計的幾何架構，在降低材料用量的同時顯著提高力學效率。但挑戰也隨之而來。盡管這類結構化材料在理論上可以達到極優的性能組合，它們在受壓條件下常出現局部失穩，例如薄壁單元的屈曲、節點的早期斷裂等。這些失效往往源于局部應力集中，導致材料在實際應用中難以承受高壓縮載荷，限制了其在航空航天著陸裝置、骨科植入物、裝甲防護結構等壓縮主導場景中的推廣。因此，科研界亟需一種能夠同時優化“材料本身”和“結構設計”的新范式，突破壓縮強度瓶頸并提升整體穩定性。

在這一背景下，多倫多大學材料科學與工程系極端力學與增材制造鄒宇教授課題組近日成功研發出一種擁有自圍壓結構（Self-Confining-Pressure Structure, SCPS）的全新仿生金屬材料，通過精巧的“筒中筒”結構設計，使材料在壓縮過程中能產生主動的側向約束壓力。這種獨特的力學機制不僅有效抑制薄壁構件的局部屈曲，還能誘導大量位錯增殖，從而顯著提升材料的承載能力。實驗結果顯示，該 SCPS 金屬在不降低拉伸性能的前提下，將壓縮強度提升至 1272 MPa，達到現有輕質金屬結構材料的兩倍，突破了長期困擾工程界的壓縮方向性能天花板。更重要的是，這種材料仍保持良好的延展性，避免了許多高強金屬材料因脆性增加而無法應用的難題。相關研究成果近期在Materials Today《今日材料》發表。

研究團隊還建立了相應的力學模型，定量描述 SCPS 架構所帶來的強化效果，為未來的結構—材料協同設計提供理論工具。這種“由結構賦能材料”的設計路線，使材料可根據實際工況獲得可控的各向異性力學特性，為極端環境中的工程材料開辟了全新方向。憑借強度高、重量輕、穩定性強、可通過增材制造制備等優勢，這項成果在航空航天、生物醫用植入物、防護裝備、新能源交通工具等領域具有廣闊的應用前景，有望推動下一代高端裝備的材料革新。

文章鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702125005218

圖1. SCPS力學超材料的設計與表征。(A) 仿生“筒中筒”Al–Ti超材料示意圖。(B) SCPS Al–Ti超材料與典型輕質金屬材料的比壓縮屈服強度對比。(C) 通過增材制造與微鑄造技術制備的塊體AlSi7Mg–Ti6Al4V“筒中筒”結構。(D) AlSi7Mg–Ti6Al4V 界面處原位形成的連續 Al?Ti 金屬間化合物層的顯微組織，該界面結構增強了載荷傳遞并促進自圍壓效應的產生。(E) 退火處理后在 AlSi7Mg 基體中析出的硅化物納米顆粒。

圖2. SCPS Al–Ti 力學超材料的力學性能。(A) SCPS 復合材料在拉伸與壓縮條件下的典型應力–應變曲線，并與其組成材料 Ti6Al4V 合金和 AlSi7Mg 合金的力學性能進行對比。(B) 連續增強型 Al–Ti 超材料在有/無 SCPS 結構時的典型壓縮應力–應變曲線對比，顯示 SCPS 對結構穩定性和承載能力的顯著提升作用。(C) Al–Ti 超材料的屈服強度–密度關系圖，并與傳統顆粒增強或晶須增強鋁基復合材料進行比較。(D) SCPS Al–Ti 超材料在比屈服強度上的拉壓性能不對稱性。

圖 3. SCPS Al-Ti 超材料的變形與斷裂機制。(A 和 B) SCPS 樣品在拉伸(A) 和壓縮 (B) 加載后的典型宏觀斷裂形貌。(C) 壓縮條件下 AlSi7Mg 晶界附近的位錯情況。(D) 晶粒內兩類不同納米析出相與位錯的相互作用及對應的能譜 (EDS) 元素分布圖。(E) SCPS 復合材料的斷裂準則。(F) 在彈性區內，通過數字圖像相關方法（DIC）測得軸向壓縮下橫向法向應變與縱向法向應變的對應關系。(G) 有限元法 (FEM) 模擬結果，顯示 SCPS 復合材料在軸向應變 2% 下的圍壓分布。(H 和 I) 分子動力學 (MD) 模擬結果：(H) 拉伸與壓縮條件下復合材料的彈性應變梯度比較；(I) 全局壓縮應變 6.6% 后，AlSi7Mg 晶界處的位錯發射情況。

圖 4. 分子動力學 (MD) 模擬揭示的晶界 (GB) 或晶粒內圍壓誘導強化的原子尺度機制。(A) 拉伸和壓縮載荷下位錯密度的演化。(B) 在不同應力下，廣義堆垛層錯能 (GSFE) 隨滑移位的變化。(C) Al晶界處圍壓誘導位錯增殖示意圖。(D) 堆垛層錯形成過程中在原子Z方向位移的演化。(E) 在各種外載條件下原子的晶格偏移情況。

圖 5. Al-Ti 超材料衍生設計。(A)用于輕質復合材料設計的基礎結構構筑靈感。(B) 具有典型建筑結構特征的 Al–Ti 超材料，通過增材/減材制造結合微鑄造方法制備。(C) SCPS 結構突破了 Al–Ti 超材料中混合規則（ROM）預測的強度限制。(D) 屈服強度與密度的 Ashby 圖，將本研究的 Al–Ti 超材料與文獻報道的金屬點整和互穿相復合材料（IPC）進行比較。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。

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