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

上海交通大學顧劍鋒長聘教授聯(lián)合皇家墨爾本理工大學馬前杰出教授在《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，但力學承載能力弱與結(jié)構(gòu)完整性不足長期制約其工程應用。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FIB-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結(jié)構(gòu)在力學性能上的對比關(guān)系。a圖對比了兩類納米多孔銅結(jié)構(gòu)的壓縮應力–應變曲線，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圖進一步給出了兩類納米多孔銅的力學指標對比，其中骨架納米多孔銅的屈服強度達到200.4±21.1 MPa，相比無骨架樣品提升了62%；其峰值強度達到239.3±35.0 MPa，提升幅度高達70%；而比強度則提升了60%，達到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 圖則擴展到與已有的其他納米多孔金屬進行橫向比較，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撲結(jié)構(gòu)，研究骨架對裂紋擴展的影響（圖5）。

圖3. 有無骨架的納米多孔銅結(jié)構(gòu)力學性能對比。

圖4. 評估利用3D打印多孔聚合物拓撲結(jié)構(gòu)研究骨架對裂紋擴展的影響。

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力–應變響應。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的致密 Cu–Mn合金。

圖5. 骨架納米多孔銅點陣的力學性能優(yōu)勢。

圖6進一步揭示了骨架納米多孔銅點陣在力學性能上的“越界表現(xiàn)”。 這幅圖將實驗結(jié)果與經(jīng)典的Gibson–Ashby模型 進行了對比。該模型是評價多孔金屬力學性能的經(jīng)驗標度關(guān)系，預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)點遠遠高于理論曲線。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