近日，南方科技大学机械与能源工程系讲席教授朱强团队联合香港城市大学吕坚院士团队提出提出材料-结构-功能一体化增材制造策略，采用激光粉末床熔融（L-PBF）技术制备先进铝基超材料。相关成果以题为“Bio-inspired material-structure-function integrated additive manufacturing of Al-based metamaterials with surpassing energy absorption”发表在学术期刊Science Advances上。

增材制造（3D打印）作为尖端材料成形工艺，为复杂结构零部件快速成型与高性能合金设计开发提供了全新可能。其中，增材制造力学超材料因卓越的物理与力学性能，受到学术界与工业界的广泛关注。然而，传统超材料常面临轻质与强度难以兼顾、吸能稳定性不足的挑战，这对其在多场景工程应用方面形成制约。

研究团队通过仿珊瑚真菌异质结构优化铝合金双模态微观组织，并以英雄鼩鼱（Hero Shrew）脊柱为结构原型，协同材料异质性与结构层级化特征，实现多级能量耗散。所研制超材料表现出优异的综合性能：密度仅为0.91±0.01 g/cm³，相对屈服强度达17.0±0.7%，比能量吸收值创39.1±0.7J/g（提高约1倍）的纪录，显著优于现有铝基及多数金属超材料。这一简洁的设计理念拓展了轻质超材料的设计维度，展示了跨尺度协调机制的可扩展策略，为可持续工程应用中抗冲击、轻量化部件的开发提供了新范式。 

图1.“材料-结构-功能”一体化增材制造仿生铝基超材料的设计策略 

力学超材料，亦称晶格超材料，是通过灵活设计在从微观到宏观尺度呈现特殊性能的结构，这些性能包括高强度、高刚度、高韧性、超弹性及高效能量吸收等。金属增材制造（尤其是L-PBF技术）的“逐层成形”特性，为超材料的“材料-结构”协同优化提供了一定的设计自由度，但当前研究仍存在两大瓶颈：一是材料层面，目前运用最广泛的传统Al-Si系合金（如AlSi10Mg）力学性能有限，而高强铝合金易因L-PBF极端凝固条件产生热裂纹；二是结构层面，多数超材料的性能通常是“材料”或“结构”单一维度分别优化的结果，未能实现跨尺度性能协同，导致应力平台波动大、能量吸收效率相对较低。因此，如何能以更加简洁高效的方式实现材料、结构与工艺的协同整合仍面临较大挑战，相关研究具有重要的理论意义与实用价值。

为突破这些局限，本研究创新提出协同路径，将具有优异力学性能的轻质材料与优化结构设计相融合，为超材料性能带来新的突破性。研究团队通过采用具有异质微观结构的定制化低成本低密度高强度高塑性铝合金，精确打印出具有高设计自由度的仿生抗损伤超材料。团队以自然界生物为创新灵感来源，开发出高性能超材料。

在材料设计（仿生珊瑚真菌）方面，借鉴珊瑚真菌系统的“熔池状异质结构”（边界等轴晶+内部柱状晶），针对增材制造工艺，研发高性能合金。通过添加Zr元素，诱导L1₂型Al₃Zr纳米颗粒析出，该颗粒与铝基体形成共格界面，既通过异质形核实现“超细等轴晶-柱状晶”双模态晶粒分布，又能够抑制L-PBF过程中的热裂纹。实验结果显示，该低成本铝合金密度仅约2.7g/cm³，拉伸强度达360-370MPa，延伸率为17-18%，可为超材料提供优质材料基底。

在结构设计（仿生英雄鼩鼱）方面，以英雄鼩鼱为仿生原型。该哺乳动物体重仅500g，却能承受约60kg载荷（相当于成年人体重），其侧向拱形、轴向紧凑的脊柱结构可实现高效应力分散。基于该结构特征，设计出具备“脊柱曲率”“纵向窄-宽-窄分布”的超结构。通过调控形状因子（S）与厚度因子（T），实现65%-85%孔隙率与力学性能的可编程调控。研究表明，相较于传统简单立方（Simple Cubic，SC）超材料易发生的“剪切带失效”，该仿生结构可通过优化形状因子转为“逐层失效”，显著提升应力平台稳定性。

在力学性能方面，多尺度表征与力学测试证实了该创新策略的有效性：微观层面，双模态晶粒分布的异质结构、高密度弥散分布的二次L1₂型Al₃Zr纳米颗粒（直径约3.4nm）及亚微米胞状结构（厚度约50nm）形成协同强化效应，提升材料本征抗变形能力；介观层面，仿生结构使应力集中从“节点-支柱连接处”转移至“顶点”，促进层间孔洞有序闭合，实现早期加工硬化；宏观层面，该超材料比能量吸收达39.1±0.7J/g，远超现有铝基超材料（约18J/g），且优于钛合金超材料，同时实现 17.0±0.7%相对屈服强度与0.91±0.01g/cm³超轻密度的兼顾。 

图2. 增材制造铝基超材料多尺度表征 

图3.增材制造铝基超材料的压缩性能与数值模拟

图4.增材制造铝基超材料准原位压缩实验与变形机制分析

图5.本研究的铝基超材料的力学性能 

在工程应用验证中，团队基于该超材料3D打印出汽车碰撞吸能盒（150×85×162mm³），与传统某商用6061铝合金吸能盒相比，能量吸收效率提升194.7%，屈服强度提升411.6%。此外，该超材料在航天器着陆缓冲、深海探测器外壳等场景也展现出潜力，可通过参数优化适配不同抗冲击、轻量化需求。 

图6.相同质量下铝基超材料吸能盒与某商用汽车用6061铝合金吸能盒的力学性能对比 

南方科技大学硕士生贺喜为第一作者，香港城市大学博士后李干（原南方科技大学与香港城市大学联合培养博士）、南昌大学教授张磊、北京科技大学讲师黄禹赫（原南方科技大学博士后）为论文共同第一作者。南方科技大学为论文第一单位。朱强与吕坚为论文通讯作者。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aea0430

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供稿：机械与能源工程系

通讯员：李新月

编辑：任奕霏