多伦多大学工程师团队利用先进3D打印技术，研发出一种轻质高强金属复合材料，兼具低重量、高强度与耐高温性能。该材料采用“钢筋混凝土式”微结构设计，将钛合金网格与铝硅镁基体结合，强度媲美钢材却仅三分之一重量。研究成果发表于《Nature Communications》，为航空航天、汽车制造等高性能领域带来突破性创新。
多伦多大学工程学院的研究人员开发出一种兼具轻质与高强度的新型金属复合材料，即使在高温下也能保持性能。
这种材料的微观结构灵感来自钢筋混凝土结构，研究团队利用先进的3D金属打印技术制造而成。这一设计未来有望应用于航空航天及其他高性能产业。
“钢筋在建筑行业中被广泛用于增强混凝土结构的强度，用于建筑物和其他大型结构，”论文的资深作者、多伦多大学材料科学与工程系（MSE）教授邹宇（Yu Zou）解释说。他指出，增材制造（AM）技术“如今使我们能够以金属基复合材料的形式模拟这种结构。这种方法带来了前所未有的新型材料特性。”
从左到右：博士后研究员陈惠聪、研究助理邵晨伟以及邹宇教授（MSE）展示他们研发的新型金属基复合材料样品。该材料具有轻质、高强度，并能在高温下保持韧性。照片由 Tyler Irving / 多伦多大学提供。
“钢筋混凝土式”设计
铝因重量轻而常用于航空器，而钢则主导地面交通工具的制造。减轻重量同时保持强度一直是提高燃油效率的重要方向，但铝合金通常在高温下性能会显著下降。
“基本上，温度越高，它就越软，这使得它不适合许多应用场景，”邵晨伟表示，他是邹宇实验室的研究员，也是本研究的第一作者。
为了解决这一问题，研究团队制造出一种复合材料：其内部包含类似钢筋混凝土中钢筋的钛合金网格结构，外部被铝、硅和镁的基体所包围。
由于团队使用了选择性激光熔化（SLM）技术，他们能够根据需要制造任意尺寸的网格结构。邵解释道：“这些支柱最小可以做到0.2毫米直径。”
此外，基体中还嵌入了微米级的氧化铝和硅颗粒，提供额外的加固效果，类似于混凝土中的碎石。
多伦多大学提供的新型金属基复合材料显微图像，显示出其在微观尺度上模拟混凝土结构的特征。
高温下的强度表现
测试结果证实，这种复合材料在广泛的温度范围内都能保持高强度。
“在室温下，我们测得的最高屈服强度约为700兆帕，而典型的铝基材料大约只有100到150兆帕，”邵说。
“在500摄氏度时，它的屈服强度仍有300到400兆帕，而传统铝基材料在该温度下仅约5兆帕。实际上，这种新型金属复合材料的性能与中等等级钢材相当，但重量仅为其约三分之一。”
论文的共同作者、博士后研究员陈惠聪通过计算机模拟发现，在高温下该材料出现了一种不同的变形机制，团队将其称为“增强孪晶”（enhanced twinning）。陈解释说，这一机制“使材料在高温环境下仍能保持相当一部分强度。”
邹教授指出，尽管这种新材料被产业界广泛采用可能还需要时间，但它的研发充分展示了增材制造技术的优势。
“如果没有增材制造，我们根本无法制造出这种材料。确实，目前大规模生产此类材料的成本仍然很高，但在某些对性能要求极高的应用中，这样的成本是值得的。随着越来越多公司投资先进制造技术，我们最终会看到成本下降。”
新金属，新时代的可能性
除多伦多大学的研究外，其他科研团队也在探索提升金属性能的新途径。
今年10月，麻省理工学院（MIT）的研究人员开发出一种新型铝合金。由S. Mohadeseh Taheri-Mousavi领导的团队发现，将铝与微量的铒（erbium）、锆（zirconium）、镍（nickel）、钇（yttrium）和镱（ytterbium）结合，可以形成短暂但稳定的结构，这些结构能够生成细小且稳定的颗粒，从而强化金属性能。
由美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）研发的DuAlumin-3D合金制造的汽车活塞。照片由ORNL提供。
上个月，美国能源部的橡树岭国家实验室（ORNL）也在测试一种名为DuAlumin-3D的新型铝合金，用于高温汽车零部件。研究表明，该合金相比某些用于激光粉末床熔融（LPBF）工艺的标准铝合金，具有更好的抗裂性，同时保持相似的热性能。这项成果有望在增材制造领域实现更轻、更高效的零件生产。
