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墨尔本理工大学马前教授团队，近日在金属3D打印超材料领域再次取得重大进展——其团队创造了首个可漂浮在水面的金属-聚合物复合晶格超材料，解决了多孔金属结构在水中“必然沉底”的矛盾。
应用背景
多孔金属如果需要水在其中自由穿过，就需要保持开孔通透，但这样必然沉底；如果让它浮在水面，就需要堵住开孔（封闭空心晶格密度低于水），但这就失去了让水流流过的优势。
因此，既要其能够浮在水面，又要让能结构中流过，问题本身就是一个矛盾体。
但这却有着实际的应用场景——功能性海洋浮标、导航装置，码头、栈桥、海上钻井平台的浮式支撑结构或模块，漂浮传感器等等。此外，它对于水上飞机、无人机、生物医学应用开发同样具有新启发。
以海洋应用为例，传统海洋结构一旦破损就会丧失浮力，同时面临强度、耐腐蚀性以及结构封闭导致的信息收集弊端。
传统海洋浮标
世界首创可漂浮钛合金晶格
RMIT的研究团队首先采用LPBF工艺3D打印出钛合金空心晶格，然后将可膨胀聚氨酯泡沫注入空心晶格的内部空腔中。
泡沫在通道内以1:9至1:12的体积比膨胀，然后树脂固化。外部开口并没有残留树脂，水可以自由通过晶格结构中的空格。
为确定最终结构能否漂浮，他们提出了一种名为“骨架密度”的概念。采用钛合金的实体部分和内部密封泡沫的总质量，除以它们共同占据的总体积（排除了空心部分的体积）。
采用这种结构，即使水穿过了其中的空格，只要总骨架密度低于周围液体的密度，结构就能有效工作，整个结构会继续漂浮。
根据笔者对马前教授团队空心晶格结构研究的跟踪，这一理念是该类型超材料研究的核心价值。
研究团队制备了四种晶格试样，内部通道内径从2.5毫米到4.0毫米不等。测得的骨架密度范围为0.80至1.27g/cm³，与计算机模型预测值相比，测量值高出7.4%±0.6%，这归因于增材制造特有的表面粗糙度和微小几何偏差。
在采用淡水（密度约为 0.997 g/cm³）进行的漂浮试验中，低密度样本稳定漂浮了两个多月，未观察到明显的漏气或进水现象，而骨架密度超过阈值的样本则迅速下沉。
原型浮标通过海水测试
在海洋浮式结构中，减轻重量和提高机械强度一直是互相矛盾的需求。被广泛使用的材料类型有耐腐蚀不锈钢和高密度聚乙烯，但钢材的密度太大，而树脂材料的刚度和抗冲击性存在不足。
研究团队指出，在总密度相同的情况，这种新型钛-聚合物复合晶格结构的强度，比常用的普通不锈钢和高密度聚乙烯高70%。而且，其极高的比强度使其能够用于轻型漂浮传感器或专用浮标。
用于海洋测试所打印的浮标
另一个需要考虑的问题是该结构的抗冲击和耐腐蚀性。
本研究使用采集的天然海水进行了浸泡试验。两周后测得晶格的质量损失仅为0.15%。同时抗压屈服强度和抗压强度的下降幅度也都小于1%。
这表明钛合金结构表面形成的稳定钝化氧化膜，对初始海水腐蚀具有很强的抵抗力。
在受控的机械压缩条件下观察失效行为，得出了一个更加明显的结果。传统的单腔浮体，外壳一旦出现哪怕一条裂纹，水流就会迅速涌入，从而使结构很快失去浮力。相比之下，本研究中的复合材料晶格，即使在支柱开裂、主要节点连接断裂，甚至结构的某一层完全损毁后，仍能保持浮力。
只有当结构达到了致密化阶段，整个结构被压碎并且空隙被压缩的时候，才会失去浮力。这是因为极端的体积压缩导致整体骨架密度超过了水的密度。
研究人员解释说，聚氨酯泡沫的细小闭孔结构能够将气体截留在内部，即使外壁失效，这些闭孔结构也能有效阻止水渗入支柱内部——这是其具有高损伤容限的关键因素。无数微小气泡的分布形成了一个安全区间，防止局部失效演变成灾难性后果。
该论文指出，测试过程中施加的应力条件远远超过了正常运行环境下的预期载荷条件，证实了该材料在极端外力作用下的有效性。
注：本文由3D打印技术参考创作，未经授权，谢绝转载。
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