我国科学家成功设计和制备出轻质高强金属力学超材料

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科技日报记者 王春

金属力学超材料是由特定结构单元在三维空间按一定规律排列而构成的多孔金属材料，也称为金属点阵材料，是新一代先进轻质高强材料。近日，上海交通大学材料科学与工程学院的顾剑锋教授团队联合澳大利亚皇家墨尔本理工大学马前教授团队，共同在《今日材料》期刊上发表了在该领域的最新研究成果。

研究组成功打印出密度为1.63g/cm3的钛合金（Ti-6Al-4V）力学超材料，其屈服强度和最大压缩强度分别达到308MPa和417MPa。

研究团队从单一变形机制的经典Gibson-Ashby模型出发，建立了多变性机制（拉伸、弯曲和剪切）共同作用条件下的力学模型，该模型能有效地预测不同孔隙率的金属力学超材料的强度和弹性模量，同时也适用于去合金纳米多孔材料、微纳尺度的金属多孔材料和人体骨骼的天然多孔材料。此外，该模型可以指导实施对各变形机制的调控。该模型可谓是对Gibson-Ashby经典模型从基本原理到应用范围的一个全方位拓展。更为重要的是，该模型从变形原理上拓展出一个设计轻质高强金属力学超材料的新概念。

研究团队以上述理论创新为基础，成功打印出钛合金力学超材料，其屈服强度和最大压缩强度远高于同孔隙率或密度条件下文献的各类金属多孔材料或超材料的性能。比商用镁合金WE54和AZ91更轻、更强，同时更耐蚀。有望在航空航天、生物医学、化学工程、空间和能源技术等领域获得应用。

研究人员表示，该工作的理论创新以及对不同设计方案的实验验证为后续设计开发各类轻质高强金属力学超材料提供了一个新的理论工具。

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