3D打印的“元材料”比自然中的任何东西都更强

它比在航空航天中用的可比较的材料更强50%。

THE FUTURE — APRIL 20, 2024

Kristin Houser

Credit: RMIT

关键要点

 “元材料”是一种有在自然界中看不到属性的材料。

研究人员用3D打印创建了一种有一个更均匀的分布载荷应力的晶格结构的元材料。

已经证明，它比被用在航空航天中的密度相似的最强合金更强50%。

用激光和金属粉末，澳大利亚科学家已经创造了一种超强、超轻的新型“元材料”，但他们从植物获得了这种听起来像科幻小说想法的创造。

挑战：强度高还重量轻的碳纤维和石墨烯等材料被用于制造从医疗植入物到飞艇的一切，而开发那些甚至更大“强度对重量比”的材料是许多材料科学家的目标。

在追求这一目标中，一些人已经转向大自然，寻找在金属中来复制中空晶格结构的方法，就像那些在维多利亚睡莲中的的一样，使一些植物惊人的强的。

“这两种元素结合一起显示之前在自然中未见过的强和轻” 。Ma Qian

不过到目前为止他们用现有的制造技术已经能创造的东西还不够——一种负载应力不均匀分布是这些合成材料原来不像它们的天然材料一样强的主要原因。

RMIT大学高级制造与材料杰出教授马倩说，“理想的，在所有复杂细胞材料中的应力都应该被均匀分布。对大多数拓扑结构，不到一半的材料来主要承受压缩载荷是常见的，而更大体积的材料结构上是不重要的” 。

什么是新的？用一种先进的金属3D打印技术，马的团队现在已经创造了一种新的“元材料”——一种有自然界中看不到属性的材料——有一种更均匀分布载荷应力的晶格结构。

在测试中，他们的元材料由一种常见的钛合金制成，被证明比用在航空航天中的密度相似的最强合金更强50%。

马说，“我们设计了一个里面有一条细带的中空管状晶格结构，这两种元素一起显示之前在自然中未见过的强度和轻盈。通过有效的融合两个互补的晶格结构来均匀分布应力，我们避免应力通常集中的弱点” 。

在一种先前设计中应力被集中的区域（左）能被用红色和黄色看到。在新结构（右）中，应力被更均匀分布。(Credit: RMIT)

制造一种元材料：为创造超强超材料，RMIT团队依靠叫“激光粉末底基融合”的3D打印技术，这与传统的3D打印是非常不同的，传统3D打印机是从一个喷嘴逐层挤出材料。

取而代之，一层金属粉末被散布在打印机的底基上。然后用一个激光将粉末以愿望的图案熔化。然后将另一层粉末添加到底基并重复该过程，用新熔化的金属与它下面的金属结合。

展望未来：虽然这项技术使创造出独特的元材料成为可能，但它也可能是让它走出实验室并进入现实世界应用的一个障碍——至少最初的。

首席作者诺轮哈（Jordan Noronha）说，“传统的制造工艺对制造这些复杂的金属元材料不适用，而且不是每个人在他们的仓库里都有激光粉末基底融合机的”。

他继续说道，“然而，随技术发展它将变得更可获得的，打印过程将变得远更快，使更多的受众在他们的组件中实现我们的高强度多拓扑元材料”。

这篇文章最初由我们的姐妹网站Freethink发布。

https://bigthink.com/the-future/3d-printed-metamaterial/