開發(fā)具有中空通道的3D打印超材料是墨爾本理工大學馬前教授團隊的重要研究方向，并在鈦合金空心支柱晶格（HSL）超材料方面取得重要研究進展，其表現(xiàn)出比實心支柱晶格 (SSL) 高得多的結(jié)構(gòu)效率，拓展了輕質(zhì)多功能金屬材料的邊界。但研究人員指出，所開發(fā)的鈦合金超材料并非一直都是最佳的選擇，因為鈦合金粉末仍然很昂貴。
鋁合金在機械強度、較低密度和降低成本之間提供了折衷，同時還具有高耐腐蝕性，從而也能成為超材料開發(fā)的重要備選材料。3D打印技術(shù)參考注意到，該課題組于近日新報道了復雜AlSi10Mg空心支柱晶格超材料的3D打印制備及其力學性能研究。
然而，由于三個基本原因，鋁合金的激光粉末床熔融 (LPBF) 比Ti-6Al-4V等常見金屬合金更具挑戰(zhàn)性。首先，鋁合金被觀察到從高熔池溫度到室溫事存在大體積收縮；其次，高反射率和導熱率需要更高的激光能量；此外，鋁合金還具有低液相線溫度（557°C），導致產(chǎn)生動態(tài)熔池。這些因素意味著AlSi10Mg很可能存在幾何缺陷和粉末堵塞中空通道。馬前教授團隊新發(fā)表的論文“AlSi10Mg hollow-strut lattice metamaterials by laser powder bed fusion”，研究了AlSi10Mg空心支柱晶格（HSL）的 LPBF可制造性及其機械性能。確定了高保真LPBF制造的AlSi10Mg空心支柱通道直徑、壁厚和掃描策略。
(a) FCC 和 (b) FCC拓撲空心支柱晶格模型。(c) FCC_1B、(f) FCCZ_1B、(d) FCC_2B、(g) FCCZ_2B、(e) FCC_3B 和 (h) FCCZ_3B。藍色代表空心支柱墻，而淺紅色代表內(nèi)部輪廓
內(nèi)部橫截面的 μCT 表征，取自每個 AlSi10Mg 空心支柱晶格的第一晶胞層的中心
(a) 相對屈服強度和 (b) 相對彈性模量與相對密度：AlSi10Mg 空心支柱晶格與 Ti-6Al-4V、Inconel 625、SS316L、CoCr 和 AlSi10Mg 實心支柱晶格的比較
研究發(fā)現(xiàn)，使用簡單高效的雙邊界掃描策略，可以通過LPBF技術(shù)制造具有高保真內(nèi)部和外部輪廓以及可忽略不計的容留獲粉末的復雜AlSi10Mg空心支柱晶格結(jié)構(gòu)。然而，若要實現(xiàn)完整打印且不會殘留粉末，最小壁厚為0.4毫米，最小內(nèi)徑為0.7毫米。
壓縮測試表明，所制造的AlSi10Mg空心支柱晶格結(jié)構(gòu)（HSL）達到了Gibson-Ashby模型相對屈服強度的經(jīng)驗上限，與實體支柱晶格結(jié)構(gòu)相當。而具有相當相對密度的Ti-6Al-4V、AlSi10Mg和SS316L的固體支柱晶格(SSL) 通常低于該上限。此外，空心支柱晶格在絕對密度低得多的情況下，絕對屈服強度、彈性模量均與實體支柱晶格相當，從而開發(fā)出了基于AlSi10Mg空心支柱晶格的具有輕質(zhì)和高效結(jié)構(gòu)的超材料。
研究團隊3D打印的AlSi10Mg空心支柱晶格
此外，AlSi10Mg空心支柱晶格的屈服強度與此前報道的等效拓撲Ti-6Al-4V空心支柱晶格比較時，會觀察到幾乎完美的相關(guān)性，表明空心支柱晶格的高結(jié)構(gòu)效率取決于拓撲結(jié)構(gòu)而不是材料。考慮到材料成本低、耐腐蝕性好和密度低，AlSi10Mg空心支柱晶格有望找到良好的潛在應(yīng)用。
潛在應(yīng)用領(lǐng)域分析
鋁合金超材料因其獨特的性能和優(yōu)勢，在多個領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。
首先，鋁合金晶格超材料的高強度、輕質(zhì)化特性使其成為航空航天領(lǐng)域的理想選擇。它可以用于制造飛機、火箭和衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)件，提高飛行器的整體性能和效率。
其次，在汽車制造中，鋁合金晶格超材料的應(yīng)用有助于提高汽車的性能和安全性?？梢杂糜谥圃炱嚨能嚿斫Y(jié)構(gòu)、底盤和懸掛系統(tǒng)，實現(xiàn)汽車的輕量化。
第三，在電子領(lǐng)域，由于鋁合金晶格超材料具有良好的導電性和熱導性能，在電子領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸增多?？梢杂糜谥圃祀娮釉O(shè)備的散熱器、導線和其他關(guān)鍵部件，進一步提高設(shè)備的散熱性能，并增加其可靠性和穩(wěn)定性。
第四，在高性能運動器材制造領(lǐng)域，鋁合金晶格超材料的高強度、輕質(zhì)化特性使其在高性能運動器材制造中備受青睞。例如，它可以用于制造自行車框架、高性能滑雪板、帆船桅桿等，提高器材的性能和耐用性。
第五，在微機電系統(tǒng)領(lǐng)域，鋁合金晶格超材料在微機電系統(tǒng)領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。由于其微小的晶格結(jié)構(gòu)和良好的機械性能，為微機電系統(tǒng)的發(fā)展提供有力支持。
需要注意的是，鋁合金晶格超材料的具體應(yīng)用還取決于其晶格結(jié)構(gòu)、制備工藝以及性能優(yōu)化等因素。隨著科技的不斷進步，鋁合金晶格超材料的應(yīng)用領(lǐng)域還將進一步拓展，為各個行業(yè)帶來更多的創(chuàng)新和發(fā)展機遇。
