澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)的研究人員成功3D打印出一種鈦結(jié)構(gòu)，其強度至少比人類制造并用于航空航天應(yīng)用的最強合金高出50%。這種新型“超材料”可能會在航空航天和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域開辟新的應(yīng)用，大學(xué)新聞稿表示。

超材料是通過組裝使用金屬或塑料制成的多個元素而工程化的，但它們提供的屬性超越了自然界中看到的物質(zhì)。研究人員一直在使用這種方法來創(chuàng)造能夠承受極端溫度和壓力要求的新材料，在航空航天等具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中。

皇家墨爾本理工大學(xué)的研究人員通過在他們的制造過程中使用3D打印或增材制造技術(shù)，將這一領(lǐng)域向前推進了一步。該團隊創(chuàng)新地使用這項技術(shù)來改進自然界中發(fā)生的格子結(jié)構(gòu)。

超越自然 全球的材料科學(xué)家一直受到自然界中格子排列的啟發(fā)，例如珊瑚或百合莖中的空心支柱，它們結(jié)合了強度和輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。

然而，迄今為止復(fù)制這些生物啟發(fā)的結(jié)構(gòu)一直非常困難?！皩τ诖蠖鄶?shù)拓撲結(jié)構(gòu)來說，通常只有不到一半的材料主要承受壓縮載荷，而更大的材料體積在結(jié)構(gòu)上并不重要，”皇家墨爾本理工大學(xué)的設(shè)計教授、先進制造材料的馬倩說。

使用3D打印，馬倩領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊設(shè)計了一個內(nèi)部有細帶的空心管狀格子。“通過有效地合并兩種互補的格子結(jié)構(gòu)來均勻分布應(yīng)力，我們避免了應(yīng)力通常集中的弱點。這兩種元素共同展現(xiàn)了自然界中從未見過的強度和輕盈，”馬倩補充道。

壓縮測試顯示（左圖）空心支柱格子中應(yīng)力集中在紅色和黃色區(qū)域，而（右圖）雙格子結(jié)構(gòu)更均勻地分散應(yīng)力，避免了熱點。圖片來源：皇家墨爾本理工大學(xué) 超材料是如何制造的？ 研究人員使用了一種稱為激光粉末床熔融的3D打印方法來實現(xiàn)這種超材料設(shè)計。這種方法使用高功率激光束將金屬粉末層熔化到位。

雙格子設(shè)計確保了在設(shè)計中的弱點處減少了一半的應(yīng)力，設(shè)計中的任何裂紋也被沿著結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)，從而提高了其韌性。

該團隊測試了一個使用這種方法制造的鈦格子立方體。它比用于航空航天應(yīng)用的最強合金——鑄造鎂合金WE54——強50%。該團隊仍在努力完善這種超材料，并希望將其耐溫極限提高到1,112華氏度（600攝氏度），并可能增加更多的應(yīng)用。

不僅僅是強度，超材料還提供了易于制造的額外好處，這要歸功于3D打印。然而，它不會立即可用。