香港城市大学 l 3D打印中熵合金超材料，破解极端冲击难题

来源：科研新知

在航空航天领域，对材料的轻质、高强度和抗冲击性能要求极高。壳基微架构多组元合金能够满足这些要求，可用于制造飞机的机身结构、发动机部件、航天器的防护罩等，有助于提高飞行器的安全性和性能，同时降低其重量，从而减少燃料消耗和运营成本。在高端装备制造领域，如机械制造、电子设备制造等，该合金可用于制造高精度、高性能的机械零部件和电子设备外壳等，提高设备的稳定性和可靠性，延长设备的使用寿命，降低设备的维护成本。”

机械超材料通过融合轻质化结构设计原理与独特变形机制可实现极端力学性能。然而，现有研究多聚焦于其准静态特性，而在实际应用相关的宏观尺度下，材料在极端动态条件下的行为机制仍属研究盲区。本研究提出一种融合壳基微架构与低堆垛层错能（SFE）的金属3D打印中熵合金（MEA）的协同策略，实现了宏观尺度下的极端冲击耗散。研究表明：相较于传统桁架结构形态，壳基架构能将超材料的有效动态应力提升一个量级，从而更早触发合金的多尺度增韧机制；中熵合金的低堆垛层错能特性支持多类型晶体缺陷的协同演化，使其应变硬化行为在跨越七个数量级的应变速率范围内持续有效。这些基础性见解为开发可工程化应用的轻质抗冲击超材料体系，特别是在重大装备防护与国防安全领域奠定了理论基石。

Fig. 1. Fabrication and multiscale characterization of HR-SLM MEA microlattices across various strain rates

研究亮点解读
（1）跨尺度能量耗散突破
基于自主研发高分辨率选择性激光熔化（HR-SLM）技术，成功制备轻质CoCrNi中熵合金（MEA）微架构超材料，其能量耗散性能跨越七个数量级应变速率范围（准静态至极端动态），超越现有超材料与合金体系。

（2）协同机制创新
揭示壳基三周期极小曲面（TPMS）架构与低堆垛层错能（SFE）合金的本征协同效应：
✔动态应力场强化：TPMS架构通过增强惯性响应，使动态应力较传统桁架结构提升量级，提前激活合金增韧机制；
✔多缺陷协同演化：HR-SLM工艺诱导的高密度位错胞与低SFE介导的层错/孪晶多尺度变形机制协同作用，实现宽应变率域持续应变硬化。

（3）多模态机理解析
结合显微计算机断层扫描（μCT）、电子背散射衍射（EBSD）、高分辨透射电镜（HRTEM）与有限元分析（FEA），首次建立增材制造多组元合金动态增韧机制与三维超材料冲击响应的跨尺度关联。

（4）工程化设计准则
提出抗冲击超材料三大核心参数：
✔大应变致密化优化：通过结构自接触最大化塑性耗散；
✔惯性响应调控：强化应变速率敏感的动态应力场；
✔低SFE材料设计：促进多类型缺陷持续演化以延长硬化区间。

（5）应用范式革新
为国防装备、航空航天及汽车工业的轻量化抗冲击结构提供逆向设计框架，填补宏观尺度超材料动态力学行为研究的理论空白。

Fig. 2. Quasi-static mechanical characterization of HR-SLM MEA microlattices

文章总结
本研究通过自主研发的高分辨率选择性激光熔化（HR-SLS）系统研制出CoCrNi中熵合金（MEA）轻质微架构超材料，其在宽应变速率范围（跨越七个数量级）内展现出超常规能量耗散能力，性能指标显著优于现有超材料及合金体系。该研究成功建立了两个传统独立研究方向——冲击载荷下的三维超材料力学行为与增材制造多组元合金的极端动态增韧机制——之间的内在关联。结合失效后的显微计算机断层扫描（μCT）三维重构、电子背散射衍射（EBSD）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）及有限元分析（FEA），揭示了HR-SLM制备的中熵合金本征耗能机制与超材料结构设计间的协同作用规律。研究表明：相较于桁架结构，基于三周期极小曲面（TPMS）的构型在动态加载下可产生更显著的惯性响应，使得材料在特定应变速率下具有更高的动态应力水平，从而提前激活低堆垛层错能（SFE）合金的增韧机制。该工作不仅证明了壳基微架构多组元合金作为宏观尺度高性能抗冲击材料的可行性，更为这一研究匮乏的动态力学行为研究提供了机理层面的新认知。相关发现可为多应变速率下兼具轻量化与高抗损伤特性的新一代机械超材料提供设计依据。

Fig. 3. Dynamic testing and architecture-induced dynamic toughening

Fig. 4. Quasi-static and dynamic performance comparison of our HR-SLM MEA microlattices against existing micro-architected metamaterials and metals/alloys

论文信息
文章标题：Exploiting multiscale dynamic toughening in multicomponent alloy metamaterials for extreme impact mitigation

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt0589期刊：Science Advances
DOI: 10.1126/sciadv.adt0589

发表日期：2025年5月7日