近日，香港城市大学吕坚院士与哈尔滨工业大学孟松鹤教授合作，创新性地提出了一种4D打印陶瓷的新策略。

相关研究成果《Additive manufacturing of fiber-reinforced electrically driven precursors and their derived ceramics》发表于Materials Science and Engineering: R: Reports。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.mser.2026.101258

 研究背景

陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀和高强度等优势，在航空航天、能源装备和极端环境结构件中具有重要应用价值。但传统陶瓷加工难、脆性大，复杂结构制备仍然受限。

4D打印为陶瓷结构制造提供了新的思路：打印后的结构可以在外界刺激下发生预设形变，从而实现可编程功能响应。

前驱体转化陶瓷（PDCs）因前驱体分子结构可调、可加工性好、裂解温度相对较低，成为4D打印陶瓷的重要材料体系。不过，现有技术仍面临两个问题：一是响应外界激励多依赖热驱动，在真空、外太空等对流换热受限环境中适应性不足；二是裂解过程中容易产生孔隙和缺陷，导致最终陶瓷的力学性能仍有提升空间。

 主要内容

针对上述问题，研究团队设计了纤维增强、导电的可打印陶瓷前驱体墨水。

在前驱体中引入纤维相，使材料同时具备可打印性、导电性和力学增强潜力。其中，短切碳纤维在挤出打印过程中沿打印方向取向，有助于提升结构强度；导电增强碳纳米纤维构建导电网络，使前驱体在响应热激励的基础上，能够响应电刺激产生焦耳热，触发形状记忆回复。

图1. 陶瓷前驱体的合成、打印、重构、热/电驱动形状回复及陶瓷化

 热/电多模驱动

前驱体体系在保持原有重赋形和形状记忆特征的基础上，实现在热激励或电激励完成形状回复。相比传统热驱动，电驱动依靠材料内部导电网络产生焦耳热，响应更直接，也更便于实现局域和远程控制。

图2. 兼具导电和纤维顺向排布的直写打印墨水合成与性能表征

图3. 电/热驱动集成与重复性/FEM验证

 力学性能提升

完成形状编程后，打印结构经高温裂解转化为陶瓷。

研究发现，纤维引入能够提高陶瓷产率并降低尺寸收缩，但过量引入会导致更多孔隙和缺陷削弱力学性能。团队进一步引入PIP工艺。通过将液态前驱体浸渍入陶瓷内部孔隙，并在后续裂解中转化为陶瓷，从而实现致密化和增强。

图4. 纤维增强与PIP协同后的打印陶瓷力学性能

 总结

该工作建立了一种从前驱体设计、直写4D打印、热/电双模式驱动到高温烧结陶瓷和PIP增强的一体化制造策略。多尺度导电纤维网络拓展了4D打印陶瓷的驱动方式，纤维取向增强与PIP致密化共同提升了打印陶瓷的力学可靠性。该策略有望用于航空航天、复杂轻质结构和极端环境服役等领域。

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近年来，噪声污染已成为一个严重且日益严峻的环境问题。在航空航天、交通运输和建筑等极端应用场景中，噪声抑制面临着关键挑战。这些挑战的原因在于，降噪结构必须同时具备优异的承载强度与高效的声学调控能力，而传统的声学材料与承重结构之间往往难以实现这种性能平衡，存在显著的设计矛盾。

声学超材料和超表面的兴起为降噪开辟了新途径，然而，现有的大多数研究主要聚焦于优化声学性能，缺乏能够同时考虑结构设计、材料属性和制造工艺的全局性策略，难以实现真正意义上的结构-功能一体化。

值得注意的是，增材制造技术的快速发展为实现创新设计理念提供了有力工具。其中，连续纤维增强复合材料因其卓越的机械性能和多功能潜力而备受关注。这类材料的增材制造不仅大幅提升了结构设计的自由度，更展示出设计和制造高强度、多功能集成结构的独特优势。

针对复合材料增材制造技术的工艺特点，结构设计需满足少支撑和具备可连续纤维增强的垂直壁面等要求。而法布里-珀罗（Fabry-Pérot, FP）声学通道设计恰好契合这些需求，是实现高效降噪的理想几何构型。

近期，来自复旦大学、同济大学、新加坡国立大学和汉诺威大学的研究团队在《International Journal of Extreme Manufacturing》期刊上发表论文，介绍了一种新型多功能复合超结构。该结构将法布里-珀罗声学通道设计与定制化开发的连续纤维增强增材制造工艺相融合，并通过双喷嘴机器人与路径优化打印技术成功制备。这一紧凑型超结构不仅实现了宽带高效吸声，还展现出卓越的机械鲁棒性。

本期谷·专栏将对该论文进行简要分享。

论文链接：
https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae35ea

作者
杨怡龙、刘亚沣、苗双双、潘永东、翟玮、庄晓莹*、金亚斌*

机构
复旦大学、同济大学、新加坡国立大学、汉诺威大学

Citation

Yang Y L, Liu Y F, Miao S S, Pan Y D, Zhai W, Zhuang X Y, Jin Y B. 2026.Sound-absorbing continuous fiber-reinforced composite metastructure. Int. J. Extrem. Manuf. 8 035501.

 文章导读

在航空航天、交通与建筑等极端服役环境中，降噪结构常面临“高吸声”与“高强度”难以兼得的矛盾。近期，复旦大学计算力学与人工智能交叉研究院的金亚斌和庄晓莹课题组，提出一种连续纤维增强复合材料吸声超结构：以法布里－珀罗声学通道为核心，同时结合连续纤维复合材料增材制造，实现结构承载与宽带吸声一体化，并在《极端制造（英文）》期刊上发表了题为“Sound-absorbing continuous fiber-reinforced composite metastructure”的文章。

 图文解析

本研究的创新之处在于结构采用多共振通道设计，通过不同通道高度产生多阶共振耦合，实现宽带吸声，同时利用连续碳纤维复合材料的各向异性增强承载性能，实现“吸声—承载”统一。

图1 声学超结构的理论框架与设计方法。（a）结构的横截面视图。（b）结构的内部空气区域。（c）声阻抗理论示意图。（d）耦合模式理论示意图。（e）结构优化算法的程序流程图。

研究建立了阻抗模型用于低频预测，并引入耦合模态理论考虑高阶衍射效应，使高频段预测更贴近实验现象。

图2 结构路径规划设计。

在制造过程中，通过路径规划实现关键受力壁的连续纤维铺放与其余区域填充成形。

图3 复合材料超结构的吸声性能。（a）复合材料超结构试样及显微图。（b）树脂超结构试样及显微图。（c）驻波管系统的照片及示意图。（d）耦合模式理论结果、声阻抗理论结果及实验结果的吸声谱对比图。（e）复合材料试样与树脂试样实验结果吸声谱对比图。

实验验证在 1500–5500 Hz 区间平均吸声系数超过 0.9。同时，连续纤维增强显著提升结构在弯曲、压缩与剪切等工况下的承载能力与抗损伤表现。

 总结与展望

本文提供了一条面向极端环境的“材料—制造—超结构”一体化路线：在有限厚度内同时获得高吸声与高承载，为航空整流罩/舱段降噪、先进交通装备与轻量化建筑构件提供可制造的多功能方案。未来可进一步面向大尺寸与复杂曲面构件，发展更自动化的纤维连续性保持与缺陷控制策略，并针对特定噪声谱实现快速定制化设计。

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中南大学与南洋理工大学的联合研究团队系统研究了LPBF增材制造工艺制备的Al0.5CoCrFeNi高熵合金的拉伸性能、变形机制以及高周疲劳（HCF）响应，为理解LPBF 高熵合金的变形与疲劳机制提供了系统认识，并为通过“晶格摩擦工程”设计高强度、耐疲劳的增材制造高熵合金提供了指导。

激光粉末床熔融制备 Al0.5CoCrFeNi高熵合金的高周疲劳行为及变形机制研究

郑聃，牛朋达，甘科夫，袁铁锤，李瑞迪
中南大学，冶金与环境学院
中南大学，粉末冶金国家重点实验室
南洋理工大学，机械与宇航学院

研究结果表明，该直接打印态高熵合金在室温下实现了高强度与高延性的显著协同（899MPa与39%延伸率）。单轴拉伸变形主要由平面滑移、微带（microband）形成以及层片状位错边界（lamellar dislocation boundaries）的发展所主导，即使在接近断裂处也未观察到变形孪晶。在循环载荷下，该合金表现出明显的应力敏感性：在450 MPa时疲劳寿命急剧降低（43,802 周次），而在400 MPa时寿命提高至 544,320周次；当应力幅为 340 MPa时，循环次数超过10,000,000 次且试样未发生失效。值得注意的是，在循环加载过程中观察到变形孪晶，尤其在裂纹尖端附近。该合金固有的高晶格摩擦应力能够有效抑制广泛的循环应变局部化，从而在中等应力水平下提升其疲劳抗力。

 文章亮点

1.LPBF直接打印态Al0.5CoCrFeNi高熵合金在室温下实现高强—高延性协同~899 MPa 强度与39%延伸率。

2.单轴拉伸变形以平面滑移、微带（microband）形成及层片状位错边界演化为主，即使接近断裂也未观察到变形孪晶。

3.高周疲劳表现出显著应力敏感性，且循环加载（尤其裂尖附近）可激活变形孪晶；合金固有的高晶格摩擦应力可抑制广泛循环应变局部化，从而提升中等应力水平下的疲劳抗力，并为“晶格摩擦工程”设计提供思路。

内容简介

日前，中南大学大学粉末冶金国家重点实验李瑞迪教授课题组在Rare Metals上发表了题为“High cycle fatigue behavior and deformation mechanisms of Al0.5CoCrFeNi high entropy alloy by Laser powder bed fusion”的研究文章。通过提高晶格摩擦应力（lattice friction stress）协同提升打印态Al0.5CoCrFeNi合金的强塑性，更关键的是，该合金在单轴拉伸下几乎不发生孪生，但在疲劳裂纹尖端的强局部应力场中会触发孪生，从而改变裂尖塑性区演化与裂纹扩展路径。

采用LPBF制备Al0.5CoCrFeNi高熵合金，利用EBSD（相/织构/晶粒形貌）、ECC（细观变形与微带）、TEM（位错结构/层错/孪生）等表征手段研究了疲劳前后样品的组织演变：疲劳裂纹对LPBF 过程引入多尺度异质性（晶粒形貌、胞状亚结构、残余应力、缺陷）极其敏感。通过提高合金晶格摩擦应力，合金在循环加载过程中有效抑制应变局部化，在中等应力水平下提升其疲劳抗力，合金疲劳极限为340MPa，约为强度的38%。研究为理解LPBF 高熵合金的变形与疲劳机制提供了系统认识，并为通过“晶格摩擦工程”设计高强度、耐疲劳的增材制造高熵合金提供了指导。

 关键图文解析

图1 直接打印态Al0.5CoCrFeNi合金的物相鉴定与成分分析：（a）XRD图谱显示合金为FCC单相固溶体; (b) 合金的SEM观察和EDS能谱了均匀的元素分布；(c）样品的EBSD相分布图进一步证明了FCC单相基体；（d）各合金元素的含量。

图3直接打印态Al0.5CoCrFeNi合金的显微组织：（a-c）打印态合金在不同放大倍数下的STEM明场像；(d）基体的电子选区衍射花样.；（e）基体的高分辨图片（HR-TEM, (f-g) STEM显示了片层状的周期性析出物及其元素分布特征。

图文小结(图1-4)

EBSD + ECC + TEM 显示打印态具有典型 LPBF 层级组织，以柱状晶粒为主，局部夹杂细小等轴晶，晶内存在明显胞状/亚结构（~500 nm 量级）与高位错密度。TEM中可见堆垛层错与局部层片状特征。LPBF典型特征为强-塑-疲劳性能协同提供了可能：强度接近900 MPa，延伸率接近40%，疲劳极限约340 MPa。

图4 合金的力学性能：（a）单轴拉伸应力应变曲线；（b）疲劳SN曲线。

图6 EBSD表征了合金在单轴拉伸不同应变下的显微组织演变:（a1-b4）20%应变；（c1-d4）断口附近。

图7 利用STEM表征了单轴拉伸不同应变下的位错组态:（a-c）20%应变；（d-f）断口附近。

图文小结(图5-7)

EBSD+ECC+TEM显示，在单轴拉伸下，早期出现microbands（微带），随应变增加形成层片状位错边界（lamellar dislocation boundaries），即使接近断裂，也几乎看不到变形孪晶。结果表明：Al 提升晶格摩擦应力，抑制部分位错分解与孪晶形核，从而导致变形主要由位错的强平面滑移主导。

图8 高应力（450MPa）疲劳断口附近的微观组织观察：（a-b）裂纹尖端形貌，(c1-d3)尖端不同区域对应的IPF、KAM以及相分布图。

图10中应力（400MPa）疲劳断口附近的微观组织观察：（a-b）裂纹尖端形貌，(c-e)尖同区域对应的ECC图（电子衍衬图），显示了疲劳断口附近有孪晶形成。

图11中应力（400MPa）疲劳断口附近的微观组织观察：（a-c）分别对应不同区域的IPF、KAM以及相分布图。

图文小结（图8-11）

ECC/EBSD/TEM显示了在循环载荷下，裂纹尖端区域出现PSBs（持久滑移带），局部纳米晶化和变形孪晶，表现出与单轴拉伸不一样的断裂机制。结果表明：循环加载条件下，裂纹尖端局部应力集中，显著提高不全位错的分解驱动力，位错与孪晶“局部被激活，从而形成了滑移 + 孪晶的混合断裂机制。

 全文小结

1.揭示“单调拉伸与循环加载的变形机制可显著不同”，尤其是孪生在裂尖区域的条件性激活，为理解AM合金疲劳提供了可迁移框架；

2.提出并验证“晶格摩擦工程”思路——通过成分设计提高lattice friction stress，以抑制循环应变局部化并提升中等应力幅下的疲劳抗力；

3.将S-N行为、断口形貌与裂尖微观机制联动，形成从宏观寿命到微观机制的闭环证据链。

论文引用

Zheng, Dan, PengdaNiu, KefuGan, TiechuiYuan, and RuidiLi. 2026. “High-Cycle Fatigue Behavior and Deformation Mechanisms of Al0.5CoCrFeNi High-Entropy Alloy by Laser Powder Bed Fusion,” Rare Metals: e70314.

https://doi.org/10.1002/rar2.70314.v

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近日，多伦多大学 (University of Toronto, UofT) 材料科学与工程系邹宇（Yu Zou）教授团队联合英国伦敦大学学院（University College London, UCL）Peter D. Lee教授团队以及加拿大英属哥伦比亚大学（University of British Columbia, UBC）Xiaoliang Jin教授，在增材制造领域顶刊《Additive Manufacturing》发表重要综述文章。

研究以”Directed energy deposition additive manufacturing: microstructure and composition engineering for high-performing metallic materials”为题，系统归纳并剖析了利用定向能量沉积（DED）技术实现下一代高性能金属材料的四大核心策略，为材料科学界和工业界提供了全面的前沿参考。

本期谷·专栏将分享该综述文章的亮点内容。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2026.105240

第一作者：Xiao Shang 尚笑
通讯作者：Yu Zou 邹宇
单位：多伦多大学材料科学与工程系
邮箱：
mse.zou@utoronto.ca,
xiao.shang@mail.utoronto.ca

 研究背景与动机

现代工业对金属材料提出了前所未有的挑战，要求其不仅需要优越的力学性能，还需兼具热、磁、电、生物相容性等多功能特性。然而，传统制造工艺难以在不增加重量、复杂连接或高额成本的前提下同时满足上述需求。

究其根本，材料的宏观性能是其微观结构与化学成分的综合体现，涉及晶界、晶粒取向、相组成等多尺度特征。因此，精准调控微结构与成分是实现材料性能飞跃的根本途径。

增材制造（Additive manufacturing, AM），尤其是定向能量沉积（Directed energy deposition, DED）技术，凭借其多材料进料的灵活性和辅助硬件的易集成性，为实现正确位置打印正确材料和独特结构实现独特功能提供了理想平台。

 四大核心策略

本综述将DED微结构与成分工程系统归纳为四大类别：

1)非连续功能梯度材料（DFGMs）；2)连续功能梯度材料（CFGMs）；3) 高通量原位合金；4)外场辅助微观结构调控，如图1所示。每类均从力学/功能性能、设计与建模策略以及当前挑战三个维度展开论述。

图1 综述涵盖的四大类高性能金属材料DED制造策略示意图：(a) 非连续功能梯度材料（DFGMs）；(b) 连续功能梯度材料（CFGMs）；(c) 高通量原位合金；(d) 外场辅助微观结构调控。

一、非连续功能梯度材料（DFGMs）

DFGMs通过清晰的材料边界在同一构件中集成多种材料，实现多功能化。自然界中，人类牙齿、螳螂虾附肢和多刺鱼骨针等均体现了DFGM结构的精妙设计逻辑。

借助DED技术，研究人员已实现包括层状DFGM、体素化DFGM等多种结构，通过诸如约束颈缩共变形（图2）、异质变形诱导（HDI）硬化以及相变诱导塑性（TRIP）等机制，突破了传统强度-塑性权衡限制。

图2 DFGMs以及其力学性能提升及强韧化机制示例：(a) 层状DFGM制备工艺；(b) 限制颈缩协同变形强化机理以及 (c) and (d) 其拉伸断口形貌对比。

DFGMs不仅具有出色的结构功能，还可以展示出超越单一材料体的非力学特性，例如QR码信息编码：利用不同钢种在化学腐蚀或磁粉检测下的差异响应，实现隐性信息写入，为高净值零部件溯源和防伪提供全新思路（图3）。

图3 DFGMs的非力学多功能特性-QR码信息编码的展示、化学显影及磁粉显影结果。

二、连续功能梯度材料（CFGMs）

CFGMs通过成分或微观结构的连续梯度变化，实现相邻材料间的平滑过渡，有效避免了界面应力集中与裂纹萌生。

CFGMs的设计策略包括基于CALPHAD的成分路径规划以及计算流体动力学（CFD）模拟熔池内的成分演化，结合机器学习方法可进一步提升设计效率与预测精度。

图4 通过DED制造的CFGM示意以及其逐步变化的力学性能。

三、高通量原位合金

原位合金是一种在DED过程中实时混合多种粉末以创制新合金的策略。与传统弧熔或粉末冶金相比，DED可以实现各种元素或材料配比的精准调控，在抑制偏析、稳定非平衡相以及通过工艺参数调控凝固行为方面具有独特优势，使其成为高通量新合金开发的理想平台。

图5 基于DED的高通量原位合金化示意：多粉末料斗供料，在DED平台上实现多成分组合的高通量合成与表征。

四、外场辅助微观结构调控

通过在DED过程中施加磁场、超声场、热场或变形场等外部物理场，可对熔池动力学和凝固行为进行实时调控，从而实现晶粒细化、成分均匀化以及特定织构的形成。

图6 各类外场辅助DED工艺示意：(a) 磁场辅助（MF-DED）；(b) 振动场辅助（VF-DED）；(c) 热场辅助（TF-DED）；(d) 变形场辅助（DF-DED）。

 设计与建模策略

该综述文章系统梳理了面向高性能金属材料设计的建模方法，涵盖从传统经验式仿生设计方法，CALPHAD热力学计算，到前沿机器学习方法的完整技术谱系。

其中，CALPHAD方法可预测多组元体系的相平衡与成分路径，为CFGM设计提供热力学指导。计算流体动力学（CFD）则被广泛用于模拟DED熔池的温度场、流场以及成分分布，其结果与实验观测高度吻合。有限元分析（FEA）方法因其高速高效的特点，被用于模拟残余应力行为和多材料打印过程中的熔合、蒸发与混合。

值得一提的是，机器学习正在成为DED材料开发的重要驱动力。从工艺参数优化、性能预测代理模型，到基于多目标优化算法的加速逆向设计，数据驱动方法显著提升了新材料开发的效率与成功率(图7)。

图7 机器学习在DED高性能材料工程中的应用示例：基于深度学习与遗传算法的工艺参数优化框架（AIDED），可以将传统基于试错的工艺参数优化高效提升至仅数小时。

 挑战与展望

综述文章指出，当前DED微结构与成分设计调控仍面临来自工艺、结构和性能三个层面的系统性挑战：

在工艺层面（Process），多材料3D打印过程中的送料精度与同步性控制、高维工艺参数空间的优化效率，以及外场与打印过程的耦合机理，均亟待深入研究。

在结构层面(Structure)，多材料界面处的高梯度残余应力和热膨胀系数失配诱发的开裂与翘曲，是影响构件可靠性的重要因素。

在性能层面(Property)，材料性能对局部微观结构特征的高度敏感性、跨梯度的精确性能预测工具的缺乏，以及材料属性（如强度-导电性）等多性能之间的固有权衡，仍制约着设计空间的充分利用。

图8 性能层面挑战示例：PH17-4/SS316L DFGM界面微观结构表征以及材料微观结构差异。

 未来展望

展望未来，综述文章提出了推动DED高性能金属材料进一步发展的三大互联方向：

1.智能化加工（Innovative Processing）：发展具备实时反馈与自适应控制能力的智能DED系统，集成同步辐射X射线成像、高速光学诊断等原位表征手段，实现熔池行为的精准监控与调控。

2.精准建模（Accurate Modelling）：构建涵盖热力学、流体动力学与固态演变的多物理耦合、多尺度模拟框架，提升对成分梯度和外场影响下微结构演化的预测能力。

3.机器学习（Machine Learning）：开发基于实验与仿真联合数据的高精度代理模型，建立逆向设计闭环，利用大语言模型整合多源知识，加速材料高通量高效设计的实现。

图9 DED微结构与成分工程的未来发展路线图：智能化加工、精准建模与机器学习三大方向协同驱动高性能金属材料的可靠制造。

上述三个方向的协同推进，将使DED平台逐步走向自适应甚至自主运行，实现工艺控制与性能目标的确定性导航，最终将DED确立为下一代高性能金属材料制造的强大且可扩展的核心路线。

多伦多大学的这篇综述，以过程-结构-性能（P-S-P）关系为核心视角，系统整合了DED领域在功能梯度材料、原位合金化以及外场辅助微管结构设计调控四个维度的最新进展。通过兼顾力学与多功能特性的综合分析，以及涵盖高通量实验和机器学习的前沿建模方法，该综述不仅是科研人员的重要参考，也为工业界探索DED技术的规模化应用提供了坚实的理论与实践指导。

研究团队主页

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磁驱动器件在辅助诊断、靶向给药、微创手术等生物医学领域具有独特的优势。由于软磁材料能够在磁驱动中表现出不同的动态行为，因此可以实现更复杂和灵活的磁驱动。

其中，FeSiB非晶/纳米晶合金因具有高饱和磁化强度、低矫顽力等优异的软磁性能与良好的生物相容性，在磁驱动领域表现出极大的应用潜力。

然而，如熔体旋淬法等传统制备方法虽能通过高冷却速率获得非晶相，但只能制备简单形状的薄带或细丝，难以满足器件对复杂结构的需求。因此，探索兼具高冷却速率与几何定制能力的制备工艺是实现FeSiB非晶/纳米晶合金在磁驱动器件领域应用的关键。激光粉末床熔融（LPBF）金属增材制造/3D打印技术的出现为这一难题提供了解决方案。

近日，中南大学研究团队在JMST期刊发表了题为Competitive microstructural evolution on the soft magnetic and mechanical properties of FeSiB amorphous/nanocrystalline alloys fabricated by laser-beam powder bed fusion的论文。揭示了LPBF增材制造成形FeSiB合金中致密度与非晶化程度的竞争性演变规律及其对软磁性能的交换耦合调控机理。

本期谷·专栏将对JMST刊登的论文解读内容进行分享。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.04.063

第一作者：高成德
通讯作者：帅词俊
通讯单位：中南大学

01
激光增材制造FeSiB合金成型质量-非晶度的竞争关系

LPBF作为一种典型的金属增材制造技术，突出的特点就是快速凝固、非平衡组织的构建和高工艺自由度。

在LPBF过程中，激光功率、扫描速度等工艺参数共同决定体能量密度，从而影响熔池行为、成型质量以及相结构。

中南大学的研究发现，合金密度随着激光功率升高和扫描速度降低而增加。然而，较低扫描速度或较高激光功率条件下的低冷却速率却不利于非晶相的形成。

相关性分析显示出合金的致密度与非晶含量之间存在竞争关系，因此，优选工艺参数下致密度和非晶含量的合理平衡是获得最佳综合性能的必要条件。

02
FeSiB合金非晶/纳米晶双相结构的形成与共存机制

LPBF制备FeSiB合金呈现典型的非晶/纳米晶双相结构，即以非晶相为基体，α-Fe(Si)与Fe2B纳米晶晶粒嵌布于基体中，这些纳米晶颗粒通常集中分布在熔池边界或热影响区。

由于LPBF过程中存在极高的冷却速率，熔池在快速凝固过程中能够抑制原子长程有序排列，从而形成以非晶相为主的基体结构。然而，由于熔池内部存在温度梯度和热循环效应，局部区域仍可能发生部分晶化，从而形成纳米尺度的晶体相。

03
FeSiB合金软磁性能的影响因素与调控机理

LPBF制备FeSiB非晶/纳米晶合金的软磁性能主要由非晶/纳米晶双相结构、晶粒尺寸、内部缺陷等多因素共同决定。

非晶结构由于缺乏晶界和低磁各向异性，可显著降低矫顽力，纳米晶相的引入能够通过非晶基体与纳米晶体之间交换耦合作用来提高饱和磁化强度，当纳米晶尺寸处于纳米尺度且均匀分布时，可在保持较低矫顽力的同时提升磁化能力。

然而，晶粒尺寸增大或晶体相含量过高会导致磁畴壁运动受到阻碍，从而增加矫顽力并降低软磁性能。与此同时，合金中的孔隙和裂纹等缺陷也会作为畴壁的钉扎位点并导致矫顽力恶化。因此，非晶/纳米晶结构和成型质量的平衡是LPBF制备FeSiB合金实现高饱和磁化强度与低矫顽力的关键。

04
FeSiB合金的力学性能与强化机制

LPBF制备FeSiB非晶/纳米晶合金因其非晶/纳米晶双相结构展现出增强的力学性能，并受到合金的非晶化程度与致密度的共同影响。

非晶结构由于缺乏位错滑移机制，通常具有较高的硬度和强度，但塑性相对有限。通过在LPBF制备FeSiB合金的非晶基体中引入纳米晶强化相，可显著提升合金的塑性变形能力。

与此同时，合金的孔隙等内部缺陷往往会在加载过程中成为裂纹萌生源而导致合金的力学性能下降。因此，研究团队通过调控LPBF工艺参数以实现材料致密度与非晶含量之间的平衡，从而制备兼具软磁性能和力学性能的FeSiB非晶/纳米晶合金。

05
总结与展望：激光增材制造软磁合金的未来

为解决传统制备方法在FeSiB非晶/纳米晶合金制备过程中存在的外形结构受限和生物安全威胁的问题，这项研究创新性采用LPBF技术制备FeSiB非晶/纳米晶合金，系统探究了LPBF工艺参数对合金的成型质量、显微结构、软磁性能和力学性能的影响规律，重点揭示了工艺参数调控下合金致密度和非晶度竞争性的内在机制及其性能增强机理。

结果表明，LPBF技术是实现FeSiB合金结构与性能定制化调控的有效方法，其通过平衡致密度与非晶化程度的竞争关系，为高性能软磁合金在磁驱动领域的应用提供了新思路和研究支撑。

06
图片解析

图1 不同能量密度（E，200-1000 J/mm³）下单道熔道的超景深图像。具体的激光功率（P）和扫描速度（v）如下：(a) 160 W，240 mm/s；(b) 200 W，240 mm/s；(c) 250 W，200 mm/s；(d) 300 W，160 mm/s；(e) 300 W，120 mm/s。

图2 LPBF制备的FeSiB样品的（a）密度和（b）非晶含量随激光功率（P）和扫描速度（v）变化的等高线图；（c）能量密度、激光功率、扫描速度、密度和非晶含量的相关矩阵（皮尔逊相关系数和斯皮尔曼秩相关系数）。

图3 LPBF制备的FeSiB样品的密度/非晶含量与激光功率、扫描速度和能量密度的点云图，以及拟合函数和R²值。

图4 LPBF制备的P300v220样品的SEM和EBSD分析：(a) 截面结构的SEM图像；(b) 熔池和热影响区；(c)热影响区内的微观结构；(d, f) 相图；(e, g) 对应于(d)和(f)的反极图；(h) 晶界分布；(i) 对应于(e)的晶粒尺寸-面积分数图。

图5 LPBF制备的P300v220样品的明场TEM图像：(a) TEM和SAED（插图）图像；(b) 纳米晶和非晶区域之间的明显界面；(c) 纳米晶和(d) 非晶区域的IFFT和FFT（插图）图像；(e) 非晶相中纳米晶粒和中程有序结构的HRTEM图像；(f, g) 纳米晶粒分布的TEM和HRTEM图像；(h) Fe₂B相的IFFT和FFT（插图）图像。

图6 LPBF制备的FeSiB样品的磁性能：(a) 磁滞回线；(b) Ms和Hc随非晶含量的变化；(c) 磁致伸缩曲线；(d) 饱和磁致伸缩系数（λmax）随非晶含量的变化。

图7 (a) 硬度和(b) 杨氏模量的等高线图（黑点表示压痕位置）；(c) LPBF制备的FeSiB样品的平均硬度（蓝色表示）和杨氏模量（红色表示）；(d) 典型的载荷-位移曲线；(e) 塑性和弹性功的分布区域；(f) 载荷-位移曲线的局部放大图。

论文引用

Chengde Gao, Jingwei Hu, Xiong Yao, Hao Pan, Cijun Shuai, Competitive microstructural evolution on the soft magnetic and mechanical properties of FeSiB amorphous/nanocrystalline alloys fabricated by laser-beam powder bed fusion, J. Mater. Sci. Technol. 246 (2026) 28-43.

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陶瓷/多材料复合3D打印机

光垒智造陶瓷/多材料复合3D打印机是DLP与DIW技术双融合的工业级设备，能满足高端制造的多样需求，适合生物医疗复合材料、电子陶瓷器件、异构集成、陶瓷封装基板、航空航天等应用领域。既可以复合打印又能各自独立打印，想提高效率或分开做不同件都能满足。核心模块性能上，DLP模块配的是4K48W的液冷激光光机，精度特别高，X/Y分辨率能到36μm，光功率密度180mW/cm²，曝光均匀性也超过90%，像光敏陶瓷浆料、光敏金属、光敏树脂这些材料都能高精度成型；DIW模块搭载双喷头，喷头可加热至100°C，直径还能在0.2-1.0mm之间调，光敏陶瓷膏料、细胞生物组织材料、石墨烯材料、硅胶材料等都能加工。

当陶瓷3D打印不再受限于单一材料，将在工业制造应用上获得怎样的突破？在半导体封装基板等高精尖应用领域，陶瓷/多材料复合3D打印技术将迎来怎样的机遇？

2026TCT亚洲展期间，星空娱乐棋牌城官网与TCT展会主办方共同围绕佛山市光垒智能制造有限公司的全球首发新产品——陶瓷/多材料复合3D打印机，采访了该公司总经理胡田雨。本文整理自视频采访。

请介绍一款公司在本届TCT亚洲展进行首发的新品。
研发这款设备是看到了市场中的什么挑战？
公司是如何用技术来回应这些挑战的？

胡田雨：光垒智能制造从2017年开始做光固化（DLP）陶瓷3D打印。在做的过程中发现，单一的DLP陶瓷3D打印技术确实存在一些痛点。比如说，很多流体材料类的3D打印，都面临复杂支撑结构的问题，这是第一点。第二点是它只能实现单一材料3D打印，因为两种及以上流体材料交叉打印，一定会存在相互污染的问题。单一材料以及结构受限这些痛点，限制了陶瓷3D打印的应用，目前更多还是做一些工业陶瓷件，但这其实是最普通的应用场景。

基于此，我们在想，3D打印毕竟是一项前沿技术，能否在高精尖领域实现新的突破，所以才做了这款陶瓷/多材料复合3D打印机。

这款设备最大的特点是，在DLP 3D陶瓷设备的基础上增加了一个挤出模块。这个挤出模块可以是DIW直接挤出，也可以是FDM熔融挤出，具体取决于第二种或第三种材料所用的材料体系。

举个例子，DLP陶瓷3D打印模块可以打印氧化铝或氮化铝这类电子陶瓷基板材料。然后,再通过DIW或FDM挤出金属材料，就能实现陶瓷-金属的复合3D打印，用于制作多层陶瓷基板或电子陶瓷元器件。再通过金属-陶瓷共烧技术，实现整体器件的一体成型与封装。这将是对这类产品的一次革命性突破, 相当于实现了一体成型，在快速验证原型、结构设计尤其是异构集成方面，具备了更大的可能性。

当用户用上这款设备，他们能做哪些以前做不了的事？
这让他们在竞争中拿到什么样的“新筹码”？

胡田雨：我举几个例子。首先，如果我们用的是FDM与DLP技术的复合3D打印技术，FDM可以使用热塑性材料，比如蜡或POM这种热塑性的纯有机物。那么，假如客户需要一个全封闭或半封闭的腔体，内部的陶瓷浆料是很难清洗出来的。在打印过程中，用这种热塑性材料做填充，到了脱脂烧结阶段，热塑性材料会一并去除，这样就能实现全封闭或半封闭结构的陶瓷件成型。

再比如，在新材料领域，通过这一复合3D打印技术可以一层氧化铝、一层氧化硅或一层氧化锆，实现不同陶瓷材料的交替打印，从而对陶瓷结构件进行非掺杂性质的改性。现在陶瓷结构件的性能改性，大多是通过粉体掺杂，把不同粉体混在一起。而我们的方式，是通过宏观结构上的强化来达成。比如说，很多金属加工件如果跨度很大，可能会因自重弯曲，所以会设计加强筋。同样，有些陶瓷偏硬，有些偏韧，我们可以做到外层偏硬、内层偏韧，实现软硬结合，或者进行陶瓷-金属复合3D打印，这已经脱离了传统单一材料的限制，有很多种可能性。

TCT亚洲展一直是全球首发创新的风向标。从您今年的观察来看，什么“苗头”最可能成为未来一年的主流应用方向？
选择在TCT亚洲展首发新产品，希望借此传递什么信号？

胡田雨：从陶瓷材料领域来看，首先，我们认为在工业结构件领域，非承重类的结构件是首选。比如金属铸造过滤器、轻量化的陶瓷覆盖件，或者需要耐高温使用的陶瓷腔体、陶瓷流道。这些对精度和结构强度的要求没有那么高，更看重的是结构实现的功能特性。而且这类结构件，对于现阶段陶瓷3D打印的精度、良品率以及后处理难度来说，操作流程比较简单，不需要很繁琐的后处理。打印完烧结后，只要没有严重的开裂或破损，基本就能直接使用。这类非承重、非精密的工业陶瓷件，市场需求还是比较大的。

其次，在一些高精尖领域，比如航空航天轻量化结构件、生物医疗领域的陶瓷牙冠或骨修复陶瓷，还有电子陶瓷领域。随着新能源和半导体领域的发展，大功率器件越来越多地应用于市场。这些功率器件对封装基板的耐高温要求很高。现在的树脂基板耐温基本只能到100多度，更高温度就扛不住了。对于大功率器件来说，只有两种选择：玻璃基板或陶瓷基板。但玻璃基板技术难度高，设备成本非常昂贵，材料成本也高，良品率很低。陶瓷基板是我们认为未来发展的方向。在我看来，多层陶瓷基板在特定的半导体领域，能够发挥意想不到的作用。

我们希望通过TCT亚洲展这个平台与客户有更多的交流。因为从这两年来看，我们能明显感觉到专业观众多了起来。尤其在工业领域，早前很多观众关注的是消费品领域，对工业领域关注不多。而金属3D打印和陶瓷3D打印，更多偏向工业领域。在这两个领域里，这两年各展会的专业观众也在逐渐增多。

我们跟终端用户之间的需求正在逐渐贴合。早些年，我们与终端用户之间缺乏了解，相互不了解对方的需求与技术能力，导致我们对终端应用市场的回应是滞后的，尤其是相对于金属3D打印和塑料3D打印技术而言。现在随着专业观众的增多，我们更希望能与市场端多进行交流沟通，这是我们参加展会的最大目的。通过展会上的交流，我们能获取市场对陶瓷以及陶瓷-多材料复合3D打印技术的需求，然后做针对性的调整，往这些方向进行产品推广或设备改进。

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智能变形飞行器能够根据不同的飞行条件动态调整机翼形状，从而优化气动性能。超材料因其定制化的单胞设计，展现出传统材料所不具备的优异性能。超材料因具有高设计自由度、优异力学和功能特性，是变形飞行器的理想材料。

然而复杂的仿生超材料对传统制造技术提出了挑战。激光粉末床熔融（LPBF）技术是正华自傲具有空间定制几何形状的复杂超材料的有效途径之一。

近日，南京航空航天大学顾冬冬教授课题组，提出了一种激光粉末床熔融成形的仿马齿苋种皮柔性金属超材料，实现了超材料面内变形行为可设计性及可重构变形功能特性，并在SCI期刊《极端制造（英文）》期刊上发表了题为Laser printed bio-inspired active flexible metallic metamaterials with reconfigurable deformation capability的文章。本期谷·专栏将对该文进行简要分享。

图1 仿马齿苋种皮波纹网络结构设计及大变形/可重构一体化调控。

论文链接：
DOI: /2631-7990/ae2073

作者
陈雯昕，顾冬冬*，刘欣，孙宇，孙建峰，苏芳燕，邹锦文，陈宇生

机构
南京航空航天大学

 图文解析

本研究的创新之处在于提出了一种基于马齿苋种皮柔性大变形功能启迪的智能金属超材料。利用激光粉末床熔融成形（LPBF）技术，精确成形了一系列仿生波纹网络结构试样。通过仿生结构优化设计及单胞构型参数化建模，实现了仿生波纹网络结构面内拉伸性能及其变形行为的主动调控。

图2 仿生波纹网络结构设计。

图3 激光粉末床熔融成形仿生波纹网络结构。

图4 仿生波纹网络结构可调面内拉伸力学性能及变形行为。

结合NiTi形状记忆合金功能特性，超材料试样在10%应变下实现了最高96.1%的主动变形回复。仿生波纹网络变形翼肋实现了-25°~25°的连续变形能力和稳定的主动变形响应。

图5 仿生波纹网络结构形状记忆功能。

图6 仿马齿苋种皮波纹网络结构基变形翼肋主动变形应用。

 总结与展望

本文基于马齿苋种皮大变形功能启迪，通过参数化结构设计并利用LPBF技术成形了一系列仿生波纹网络结构。主要结论如下：

六边形波纹网络结构（HNHs）表现出优异的变形能力（断裂应变为38%）、承载能力（比强度为35.0 N·m·Kg−1）和能量吸收性能（SEA为699.7 mJ·g−1）。

仿生波纹网络结构通过调节单胞壁的数量为3、4和6，实现了可调的面内拉伸性能和变形行为，其泊松比可调范围为-0.21~0.47。

10%应变下HNHs结构实现了最高96.1%的主动变形回复，HNHs基的变形翼肋可实现-25°~25°的连续变形能力及稳定的主动变形响应。

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镁合金因其低密度和高比强度的特点，作为轻量化结构材料在航空航天、交通运输等领域受到广泛关注。

钆（Gd）作为镁合金中最有效的强化元素之一，其高固溶度和显著的时效析出强化效应，使得Mg-Gd系合金在众多镁合金体系中展现出最佳的强度，成为当前研究的热点。然而，随着钆含量的提升，合金的塑性显著下降，室温脆性问题突出，且传统铸造与变形工艺在高钆含量合金制备中面临晶粒粗大、成分偏析、加工开裂等难题，限制了其在高性能结构件中的应用。

增材制造技术，尤其是激光定向能量沉积（LDED）技术，凭借其快速凝固、溶质捕获和细化晶粒效应，为制备高钆含量、成分均匀、无缺陷的镁合金提供了新的技术路径。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jma.2025.04.007

最近，北京航空航天大学李卓副研究员课题组徐哲博士等人采用LDED技术，成功实现超高钆含量（≈23 wt.%）Mg-Gd-Zn-Zr合金的高质量制备，通过系统的热处理与组织调控优化其微观组织，获得了优异的抗拉强度（425 MPa），并保持了较高的延伸率（3.4%），且受益于高Gd含量，合金在220℃、250℃长时间保温过程中性能退化缓慢，展现出优异的高温长时间使用潜力，为推动高强韧镁合金在航空航天等领域中的应用提供了材料和技术基础。

 图文解析

微观组织：文章首先对沉积态LDED-VZ232K合金进行了微观组织分析，如图1，发现合金为近等轴晶组织，平均晶粒尺寸为11.9±2.1 μm，显著小于文献报道的G20K合金（16.1 μm）与GW103K合金（19 μm）。合金中存在面积分数高达35.8%的网状分布共晶相，Zn元素的添加降低了Gd在Mg中的固溶度，导致大量Gd原子在网状共晶相内偏聚。共晶相与沿晶界处弥散分布的针状析出相均为面心立方结构的Mg3Gd相（晶格常数a=0.74 nm），这与常规Mg-Gd合金中常见的Mg24Gd5相存在显著差异。本体系中高浓度Gd原子导致Mg晶格位点被Gd原子占据比例增加，从而稳定了Mg3Gd晶体结构。

LDED-T4态VZ232K合金显微组织由宽度约5 μm的共晶相、簇状针状相及贯穿整个晶粒的层状结构共同构成。合金中存在两种尺寸差异显著、取向平行的层状结构相，其中LPSO相数量较少而SFs数量较多。高分辨TEM图像清晰呈现两种层状结构的尺寸差异：较大者为LPSO相，较小者为沿C*轴分布的SFs。逆快速傅里叶变换（IFFT）分析（图2e）证实，LPSO相原子排列遵循14H-LPSO结构特征的AB|ABCA|CA|CA|C|B|AB|A堆垛序列，而SFs沿C*轴周期小于3.722 nm，表明SFs是稳定LPSO相形成初期的亚稳结构。图2f显示，SFs的堆垛序列符合Burgers矢量为b = 1/6 <11-20>的Frank不全位错模型。

图1 沉积态VZ232K合金：（a）反极图（IPF）；（b）晶粒尺寸分布；（c）极图；（d 和 e）背散射电子扫描电子显微镜（BSE-SEM）图像。

图2 LDED-T4 VZ232K 合金的透射电子显微镜（TEM）结果：（a、b）明场图像；（c）SFs 的选区电子衍射（SAED）；（d）层状 SFs 和 LPSO 相的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像；（e、f）LPSO 相和 SFs 的反傅里叶变换（IFFT）。

力学性能（高温长时应用潜力）：为获得最佳力学性能，本研究建立了合金的220 ℃与250 ℃时效硬化曲线，如图3。合金在220 ℃时效12 h达到峰时效状态，最高硬度值达144 Hv，显著优于多数稀土镁合金。相比之下，250 ℃时效温度下的硬化曲线呈现”平台期-缓降期”两阶段特征：6-60 h为平均硬度约139 Hv的平台期，60-100 h进入缓降阶段。并且T61-220 ℃/12 h时效态合金展现出最优综合力学性能：UTS达424±6 MPa，YS为326±4 MPa，EL为3.4±0.2%。四组过时效试样的室温拉伸试验结果如图所示，合金的极限抗拉强度和延伸率随着时效时间的延长有一定程度的降低，而屈服强度的降低不太明显，均保持在300 MPa以上。具有高屈服强度的主要原因是峰时效态的VZ232K合金β′相数密度为2.4×10⁴ μm⁻²，较其他经固溶+时效处理的高稀土镁合金提升2-6倍，且其峰时效态β′相长、宽尺寸均较小。相较于其他高Gd镁合金，LDED-VZ232K合金具有更高的β′相数密度与更小的相尺寸，充分体现了超高Gd合金显著的沉淀强化效应。

图3 VZ232K合金220℃和250℃时效硬化曲线和不同状态下室温拉伸曲线。

过时效态强化机制：过时效态β′相展现出两大特征：其一，保持超高数密度；其二，形成三向交叉互锁结构（图4）。由于超高Gd含量显著降低过饱和固溶体中β′相的形核能垒，极大提升均匀形核速率，使其在时效初期即形成数密度达1.7×10⁴ μm⁻²的β′相。三向交叉互锁结构可理解为β′相从低长径比球状形态向高长径比片状形态ΔGσ的演变，这种形貌转变受界面能与应变能平衡关系支配。应变能ΔGε与界面能ΔGσ表达式分别为：

式中，r为析出相颗粒直径，ε为单位应变能，σ为单位界面能。当ε与σ数值相近时，形核初期界面能阻力(ΔGσ）大于应变能阻力（ΔGε），此时β′相优先形成球状形貌以最小化界面能；当β′相尺寸超过临界值后，应变能（ΔGε）占主导地位，相形态转变为片状以降低应变能。β′相沿三个棱柱面生长并在基面投影形成三向交叉互锁结构。

图4 LDED-VZ232K合金不同状态下组织演变示意图。

低Gd含量的Mg-Gd合金在过时效条件下沉淀相的显著粗化和生长会对屈服强度产生不利影响，而LDED-T6 VZ232K合金中的β’相在过时效阶段经历从均匀网状分布到三向交叉互锁结构的转变，如图5。先前的研究一致表明，与单向β’相相比，具有三向交叉互锁结构的β’相具有更大的表面积，能够阻止位错滑移，从而对屈服强度的增强产生更明显的影响。因此，可以推断，在过时效状态下保持高且稳定的屈服强度很可能归因于具有较高且稳定数密度的β′相和三向交叉互锁结构。

图5 LDED-VZ232K合金280 ℃时效硬化曲线及β’相组织演变。

断裂机制：沉积态合金中（图6a），裂纹起源于硬脆共晶相，并沿晶界相互连接的共晶相网络扩展。连续网状共晶结构为裂纹提供了有效扩展路径，最终呈现典型的沿晶断裂特征。T4态合金（图6b）中，孤立岛状的共晶相区域出现大量二次裂纹，表明孤立岛状的共晶相在变形过程中发生显著塑性变形，同时α-Mg基体内高密度堆垛层错结构进一步提升了合金变形能力，这使得T4态合金断裂模式由沿晶断裂转变为穿晶断裂（图6c）。T6态合金（图6d）经时效热处理后，堆垛层错（SFs）转变为尺寸更大的γ′相，其协调变形能力下降，导致合金呈现沿晶与穿晶的混合断裂模式。

图6 不同热处理状态下 LDED VZ232K 合金的断口形貌：（a）沉积态合金；（b）LDED-T4；（c）沉积态和 T4 处理态合金的断裂机制；（d）LDED-T6。

  结论与展望

本研究通过LDED技术成功制备出超高Gd含量（23 wt.%）的VZ232K
镁合金，系统揭示了其热处理过程中组织演变与力学性能的关联机制，主要结论如下：

（1）LDED技术的快速凝固特性实现了超高Gd含量合金的高质量制备，沉积态合金形成11.9±2.1 μm的细小等轴晶，高屈服强度源于细晶强化，但网状共晶相导致合金塑性受限。

（2）固溶热处理使网状共晶相转变为孤立岛状分布，同时引入大量堆垛层错与细层状LPSO相，断裂模式从沿晶断裂转变为穿晶断裂，延伸率提升至 8.9±0.4%，实现强度与塑性的初步协同。

（3）峰时效态合金的卓越性能源于 β′相的超高数密度（2.4×10⁴ μm⁻²）与纳米级尺寸引发的强烈沉淀强化；过时效态形成的 β′相三向交叉互锁结构，保障了高硬度平台与300 MPa级屈服强度的长期稳定。

本研究突破了传统工艺的Gd含量限制，为超高强度镁合金的制备提供了新范式。未来可进一步优化合金成分设计与热处理工艺，探索多元素协同强化机制，推动高稀土镁合金在航空航天承力构件中的工程应用。

稿件来源：Journal of Magnesium and Alloys

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2025年13卷第8期：

Zhe xu, Zhuo Li*, Chunjie Shen, Dongdong Zheng, Yuxuan Tu. Additive manufacturing high-strength and ultra-high-rare-earth magnesium alloys: Excellent long-time aging hardening and strengthening behavior [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2025, 13(8): 3829-3846.

作者简介

徐哲 第一作者

北京航空航天大学材料科学与工程学院2023级博士生，长期从事激光增材制造镁合金、高熵合金等新材料设计和组织性能调控研究，已发表SCI论文7篇。

李卓 通讯作者

博导，副研究员，北京航空航天大学高性能金属构件增材制造北京市重点实验室副主任，国防科技工艺激光增材制造创新中心骨干成员，中国菱镁协会镁合金专委会委员，JMA期刊青年编委。长期从事增材制造高性能金属材料设计工作，专注于利用增材制造特殊非平衡特征突破传统合金设计和冶金限制，开发新型高性能金属材料并优化其组织性能。已发表SCI论文65篇，授权发明专利7项。

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相比之下，以钇钡铜氧（YBCO）为代表的高温超导体，其临界温度可高于液氮沸点（77K），因此能够使用价格低廉、来源广泛的液氮进行冷却，大幅降低了制冷门槛。从经济性和可及性角度看，YBCO无疑更具吸引力——它被视为下一代核聚变磁体、超导电缆等高端装备的理想候选材料。

但YBCO的工程化之路并不平坦。作为一种脆性氧化物陶瓷，它对化学成分、晶格氧含量及晶界角度极为敏感，传统加工手段难以制造出几何复杂、性能一致的超导结构。这也使得高温超导体虽好，却长期受限于少数几种简单几何形态。

如何打破这一僵局？增材制造技术带来了新的可能。根据星空娱乐棋牌城官网的市场观察，德国亚琛工业大学在该领域取得了进展。近日，他们展示了研究人员如何通过激光粉末床熔融（PBF-LB）和后续热处理，成功恢复了YBCO的超导电性，并向着几何自由、功能集成的超导组件迈出了关键一步。

亚琛工业大学数字增材制造与第三物理研究所的研究团队，正在开发一条面向高温超导体钇钡铜氧化物（YBCO）的增材制造工艺链，目标是制造几何形状复杂的超导组件。

他们最新研究发现，通过精准的热处理，可以逆转工艺过程中导致的超导电性下降。这项工作是针对未来爱因斯坦望远镜中超导线圈的研发需求而开展的。

目前，低温超导体仍是工程应用的主流选择。相较之下，YBCO等高温超导体具有更宽松的运行条件，可以用液氮冷却，但受限于材料特性，其应用仍局限于少数几种固定几何形态。

增材制造技术本可以为组件设计带来全新的自由度，但YBCO复杂的材料特性对整条工艺链提出了极高要求。

 材料-工艺-几何：三位一体的系统考量

YBCO是一种脆性氧化物陶瓷，具有依赖氧含量的复杂晶体结构。其超导性能对化学成分变化及晶格中氧原子有序排列极为敏感。

激光粉末床熔融（PBF-LB）过程中剧烈的温度梯度和气氛条件，会直接影响微观结构形成与孔隙率。为此，研究团队系统探讨了材料、工艺控制与几何结构三者之间的相互作用，并开发出与PBF-LB工艺兼容的粉末制备方法及相应的制造策略，力求在整个工艺链中保留超导Y-123相。

 从原始粉末到首件几何样件

研究人员以氧化钇、氧化铜和碳酸钡为原料，开发出适用于PBF-LB的YBCO粉末，对粒径、流动性和化学成分进行了针对性调控，以实现均匀、可重复的粉末铺层质量。

在此基础上，他们优化了关键工艺参数，在确保颗粒充分结合的同时，尽量降低对超导相的热影响。

图1：在氧化铝基板上通过增材制造制备的YBCO演示样件。

© RWTH DAP

采用散焦激光束双重曝光策略，团队成功制备出几何形状可重复的初始样件（图1）。然而，这些样件初期并不具备可测量的超导性能。相分析显示，微观结构发生了变化，超导Y-123相的比例有所下降。

图2：增材制造的YBCO样品冷却至77K后，在迈斯纳实验中实现磁悬浮，直观展示其超导电性。

© RWTH DAP

但研究团队通过在含氧气氛下进行精准热处理，超导电性得以恢复。恢复后的样品在低温下表现出特征性的电阻骤降，并在迈斯纳实验中呈现显著的抗磁效应（图2）。

这一结果表明，增材制造过程中诱导的微观结构变化并非不可逆，而是可以通过后续处理进行有效修正。

研究成员Jonas Boseila指出：“通过对比粉末态、打印态和热处理态，我们能够清晰地看到超导性能随工艺链的演化规律。这让我们明确了在哪些工艺条件下，超导电性可以被保留或恢复。”

 下一步挑战：机械稳定性

尽管超导电性成功恢复，增材制造结构的机械稳定性仍是制约其走向实际承载应用的关键瓶颈。

后续工作将聚焦于在工艺层面解决这一问题，并优化样件的材料性能。其中一条有前景的路线是银渗透技术，旨在提升机械稳定性、抗裂性及电接触性能。

Jonas Boseila表示：“我们希望将PBF-LB工艺发展为一套原位复合银的多材料方法。这样就能在组件内部实现材料性能的定制化，向功能最优结构迈进。未来，设计将由功能驱动，而不是受限于制造工艺。”

此外，团队还在探索替代能量源、基板材料及加热构建平台，以降低热应力、提高工艺稳定性。目标是在保证超导性能的同时，制造出结构坚固、几何复杂、分辨率高的组件。

基于上述成果，下一步将制造一个实际应用的超导线圈，用于验证稳定性、集成性与功能性等应用级需求。此类线圈在拟议中的爱因斯坦望远镜中可作为磁感应致动器使用，具有重要应用前景。

 不止于望远镜：更广泛的技术迁移价值

研究团队表示，这项成果同样可推广到其他需要复杂超导几何结构的领域。例如量子计算中的超导互连，该领域目前仅在基板上实现简单结构，而曲面几何、互连结构及三维集成仍是技术难点。

这项工作为通过增材制造突破超导材料几何限制奠定了工艺基础。研究由RWTH（亚琛工业大学）探索性研究空间资助计划提供支持。

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大自然一直是人类科技创新的灵感源泉。从蜘蛛丝的超高强度到荷叶的自清洁特性，科学家们通过模仿这些生物结构，创造出了许多性能卓越的仿生材料。

在航空航天、汽车制造和防护装备等领域，人们迫切需要既轻便又能高效吸收冲击能量的材料。为此，研究人员开始关注“架构材料”——这类材料不是通过改变化学成分，而是通过精心设计其几何结构来获得优异性能。更进一步，通过在材料中加入纳米复合材料，还能赋予其导电、自我感知损伤等新功能。

在众多仿生研究对象中，一种名为欧氏尖吻海绵的海洋生物引起了科学家的浓厚兴趣。这种海绵的骨骼呈现出独特的棋盘格状网格结构，兼具轻质和高强度的特点。此前的研究已经证实，模仿这种结构制造的点阵材料在静态压力下表现出优异的能量吸收能力。然而，这些材料在受到动态冲击时表现如何，仍是一个有待探索的领域。

近日，在发表于Defence Technology期刊的“Energy absorption characteristics of additively manufactured sea sponge-inspired lattice structures under low-velocity impact loading” 一文中，研究团队采用数字光处理3D打印技术，使用添加了纳米复合材料的光敏树脂，制造出了模仿海绵骨骼结构的点阵材料。研究人员在实验室中模拟低速冲击环境，系统测试了这些材料的抗冲击性能，重点关注了两个关键设计参数——结构中对角支撑与非对角支撑的厚度比例，以及材料的相对密度——对能量吸收效果的影响。

该研究为开发更轻、更强的抗冲击材料提供了新的思路，有望应用于防护装备、汽车碰撞部件和航空航天等实际工程领域。本期谷·专栏将对这项研究进行简要分享。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.dt.2025.04.008

 中文摘要

为探究仿生晶格结构的能量吸收特性，该研究开展了低速冲击试验，对海洋海绵Euplectella aspergillum（偕老同穴海绵）的构造进行了模仿。这些仿海绵晶格结构具有带双对角支撑的方形网格二维晶格，并通过数字光处理（DLP）进行增材制造。该研究评估了海绵晶格结构在各种冲击条件下的压溃强度和能量吸收能力，并与构成它的方形网格和双对角晶格进行了比较。该研究表明，与方形网格晶格相比，海绵晶格可实现能量吸收提升11倍，这是由于双对角线支撑的稳定作用促使结构在冲击下逐层压溃。通过调整海绵晶格中的厚度比，可获得高达76.7%的能量吸收增量。研究还表明，海绵晶格的性能优于同等重量下的成熟吸能材料（如六边形蜂窝），这证实了其在冲击减缓方面具有巨大潜力。此外，本研究指出，向光固化树脂中添加少量（0.015 phr）多壁碳纳米管 (MWCNT) 可进一步增强能量吸收，这为设计具备多功能特性的创新型轻质结构开辟了新途径。

 主要结论

本研究探讨了仿海绵晶格结构在低速冲击下的能量吸收特性。这些仿生结构具有方形网格二维晶格构型，并通过双对角支撑进行加固，采用数字光处理（DLP）技术及光固化聚合物增材制造而成。研究通过大量实验评估并对比了不同厚度比和相对密度的海绵晶格与其组元方形网格和双对角晶格的冲击性能。此外，该研究还分析了不同冲击能量对能量吸收特性的影响，并探究了碳纳米管纳米填料对海绵晶格冲击响应的增强效应。

海绵晶格中同时包含方形网格和双对角元素，由此产生的协同效应显著提升了冲击性能。这种协同效应表现为：在获得接近方形网格晶格刚度的同时，仍能保持类似于双对角晶格的稳定应力平台，最终使能量吸收相比方形网格晶格提升了11倍。海绵晶格冲击性能的增强归功于双对角支撑对方格基础晶格的稳定作用，有效抑制了整体失稳情况。厚度比为0.6的海绵晶格在冲击载荷下表现出最高的能量吸收，这归因于其能够提供高抗屈曲能力，同时保持渐进式逐层坍塌。海绵晶格的相对密度对其变形行为和能量吸收特性也至关重要。较高的相对密度（= 30%）能提高刚度和坍塌强度，但也会引发更为类脆性的坍塌行为，从而降低其比能量吸收能力。研究还表明，在聚合物中加入少量多壁碳纳米管（0.015phr）可增强海绵晶格的坍塌强度和能量吸收，为开发创新型轻质多功能结构提供了新的可能。此外，研究表明，与等重的六边形蜂窝结构及许多已发表的类似密度聚合物晶格结构相比，本研究中的海绵晶格在能量吸收方面表现更优。这表明，仿海绵晶格结构可减轻冲击或爆炸载荷的严重程度，是优异的轻量化设计备选材料。

 论文选图

来源：Defence Technology

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