毛新平院士&呂堅院士等APM：增材制造高性能不銹鋼力學超材料

導讀：增材制造點陣超材料因兼具低密度、高比強度及優異能量吸收特性而成為研究熱點。然而，傳統體心立方（BCC）與面心立方（FCC）點陣構型普遍受限于節點區域的應力集中問題，嚴重制約其力學潛能的充分發揮。受紙莎草莖稈天然三角棱柱形態啟發，本研究提出一種幾何驅動的仿生設計范式。該策略在保持結構各向同性與輕質特性的前提下，成功實現應力自節點向支柱的再分布。選用316L不銹鋼作為驗證材料，相較于傳統點陣，仿生結構使能量吸收提升32%，壓縮強度提高63%，比模量增加59%。原位壓縮實驗與有限元分析共同揭示，該仿生構型通過抑制應變局域化并促進胞元均勻協同變形，從根本上優化了失效模式與載荷傳遞路徑。微觀表征進一步證實了節點至支柱的顯著應變重分配，驗證了均勻變形機制。本工作建立了一種具普適性的仿生設計準則，為高性能點陣超材料在先進結構與可持續工程領域的應用提供了新路徑。

航空航天、交通運輸及能源等領域對輕質、高強且具備高效吸能特性的結構材料需求持續增長。激光粉末床熔融（L-PBF）等增材制造技術的成熟，為復雜點陣超材料的精密成型提供了技術基礎。BCC與FCC作為兩類最具代表性的點陣拓撲，因其優異的力學響應、良好的可加工性及結構各向同性而得到廣泛研究。但二者共同的性能瓶頸在于節點處的應力高度集中，易誘發構件早期失效，嚴重限制了其工程應用。現有改進策略，如調整支柱截面形狀、優化單胞構型或設計梯度結構，雖可在一定程度上緩解此問題，卻往往以犧牲結構各向同性為代價。因此，在不破壞對稱性的前提下實現應力分布的協同優化，成為提升點陣超材料綜合力學性能的核心科學問題之一。

為應對上述挑戰，北京科技大學毛新平院士團隊聯合香港城市大學呂堅院士與南方科技大學機械系朱強講席教授團隊提出一種普適性仿生設計策略：首次將紙莎草莖稈的三角棱柱幾何特征引入點陣結構設計，將支柱截面由圓形轉變為多邊形。該策略不依賴于特定材料體系，能夠將傳統點陣結構中集中于節點的應力有效轉移至支柱，并促使應力矢量方向與外加載荷方向平行，從而最大程度發揮材料承載潛能。這一受自然啟發、以應力調控為核心的設計思想，不僅為點陣超材料的性能突破提供了新思路，亦具備推廣至更廣泛工程結構設計領域的潛力。

實驗結果表明，采用L-PBF技術制備的仿生316L不銹鋼點陣樣品，打印精度高（偏差<63 μm）、致密度優異（相對密度>99.96%），充分驗證了該仿生設計策略與先進增材制造技術的良好兼容性。準靜態壓縮測試顯示，仿生設計顯著提升了點陣結構的關鍵力學指標：相較于傳統BCC，仿生BCC（BI-BCC）的能量吸收、彈性模量及平臺應力分別提升32%、59%和63%；相較于傳統FCC，仿生FCC（BI-FCC）則分別提升33%、15%和46%。以上數據表明，仿生設計實現了強度、剛度與能量吸收的協同增益，突破了傳統點陣結構的性能瓶頸。

原位壓縮圖像及數字圖像相關（DIC）分析進一步揭示了變形模式的轉變：傳統BCC/FCC結構表現為典型的“逐層失效”特征（應變集中于端部區域），而仿生BI-BCC/BI-FCC結構則呈現出更為理想的“均勻變形”模式（應變分布更為彌散）。在塑性變形階段，仿生結構的支柱因應力再分布而發生更早的相互接觸與屈曲，形成有利的二次載荷傳遞路徑，進一步緩解了節點處的應變集中，從而延緩了局部失效的發生。微觀結構表征（EBSD、TEM）進一步闡明了宏觀性能提升的物理本質：仿生BI-BCC結構的節點與支柱均承受了相當程度的應變，而傳統BCC結構的應變則高度局域于節點，支柱幾乎未參與承載。透射電鏡觀察發現，在高應變傳統BCC節點區域，高密度形變孿晶與層錯的交互作用誘發了脆性α′-馬氏體相變，易于引發早期裂紋。相比之下，仿生BI-BCC節點區域展現出更為溫和的變形機制，形成了大量Lomer-Cottrell鎖及納米孿晶，既能有效阻礙位錯運動提供加工硬化，又可避免脆性相的生成，從而實現了更穩定的塑性流變與更優的損傷容限。上述原子尺度的微觀證據，從機理層面證實了仿生設計通過“應變均勻化”提升整體力學性能的科學思想。

相關成果以題為“Papyrus-inspired 3D printed stainless steel-based lattice metamaterials with architected stress redistribution for superior mechanical performance”發表在期刊《Advanced Powder Materials》上，北京科技大學黃禹赫博士、南方科技大學賀喜同學與香港城市大學李干博士為第一作者，香港城市大學呂堅院士與北京科技大學毛新平院士為通訊作者。

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772834X26000175

圖1. 受紙莎草啟發的點陣超材料設計策略。

圖2. 點陣超材料的力學性能。

圖3. 四種點陣超材料的彈性階段有限元模擬。

圖4. 四種點陣超材料的塑性階段有限元模擬。

圖5. 變形節點與支柱的微觀結構及應變分布。

圖6. 變形BCC與BI-BCC點陣超材料節點的微觀結構特征。

主要作者簡介

毛新平，中國工程院院士，北京科技大學終身教授，博士生導師，北京科技大學碳中和研究院、碳中和學院院長。現任鋼鐵行業低碳工作推進委員會專家委員會主任，中國金屬學會碳中和分會主任委員，工業產品環境適應性全國重點實驗室、汽車用鋼開發與應用技術國家重點實驗室、海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室學術委員會主任。長期從事先進鋼鐵材料及其低碳制備技術的基礎理論研究、工藝技術開發、新材料研制和工程技術集成，主持開展國家自然科學基金委重大項目和國家重點研發計劃等多個科技計劃項目，主持設計國家重點工程項目。獲得國家科技進步二等獎3項、省部級科技進步一等獎9項、國家優秀工程設計銀質獎1項，出版專著6部，發表論文330余篇，授權發明專利180余件。獲得何梁何利基金科學與技術創新獎、光華工程科技青年獎、魏壽昆冶金青年獎和首屆杰出工程師獎，入選首批“萬人計劃”百千萬工程領軍人才、全國勞動模范、全國五一勞動獎章和鋼鐵工業勞動模范。2015年當選中國工程院院士。個人主頁：https://faculty.ustb.edu.cn/maoxinping/zh_CN/index.htm

呂堅，法國國家技術科學院院士，美國國家發明家科學院（NAI）院士，香港工程院院士，香港發明創新總會會長，香港城市大學機械工程講席教授，先進結構材料研究中心主任。香港材料研究會（HK-MRS）理事長，香港力學學會前理事長，廣東省大灣區激光與增材制造產業技術創新聯盟副理事長，世界新能源汽車大會科技委員會委員。研究涉及先進納米材料制備與力學性能，3D/4D打印，結構與功能材料預應力工程。在Nature（封面文章），Science, Nature Materials, Nature Chemistry， Nature Water，Nature Communications, Science Advances, PNAS, Advanced Materials, Materials Today, PR， JACS等雜志上發表論文650余篇，引用5萬6千余次，H Index=108，2025年“科睿唯安“全球高被引科學家, 91項歐、美（53項）、中發明專利獲授權。北京科技大學，東北大學，西安交大等大學名譽教授, 上海交大，西北工業大學，西南交通大學顧問教授。2006年與2017年分別獲法國總統任命獲國家榮譽騎士勛章及國家榮譽軍團騎士勛章，2013年和2018年分別在中國力學大會與中國材料大會上做大會報告。2018年獲中國工程院光華工程科技獎。個人主頁：https://scholars.cityu.edu.hk/en/persons/jianlu

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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