近期，我所顾剑锋教授联合澳大利亚皇家墨尔本理工大学的马前杰出教授团队在材料领域知名期刊《Materials Today》在线发表了题为 “Low-density, high-strength metal mechanical metamaterials beyond the Gibson-Ashby model”的研究论文，介绍了在力学超材料的研究进展。

      对轻质高性能工程材料日益增长的需求不断推动材料创新。力学超材料是由相互连接的杆、板组成的单胞在三维空间阵列所得的一种多孔材料，也叫点阵材料，是国际上认为最有前景的新一代先进轻质超强材料。

      该研究通过数值、解析和实验的方法系统地验证了中空杆策略、分级杆策略和基于人体骨骼Wolff定律修正杆策略可以在保证相对密度不变的情况有效地降低长径比，进而调控拉伸、弯曲和剪切三种变形机制的比重，最终实现杨氏模量和屈服强度等力学性能的提高。

      该研究设计的Ti64金属超材料，密度在1.6 g/cm³，强度超过400 MPa，比镁合金轻但比镁合金强，但又同时保持钛合金的延展性、耐腐蚀性和生物相容性。通过传统的合金成分设计或微观组织调控等冶金设计方法无法实现集以上诸多性能于一身的材料设计。该超材料突破了其现有的强度-密度空间、以及拓宽金属机械超材料的工程应用范围。

网页链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.07.018

图1：杆状超材料库

图2：传统Gibson-Ashby模型（红色曲线）和拓展Gibson-Ashby模型对各种3D打印超材料力学性能的适用性比较

图3：3D打印金属超材料的长径比分布

图4：长径比对金属超材料变形机制的影响

图5：长径比对金属超材料强度的影响

图6：基于中空杆和分级杆的长径比调控和超材料强化策略

图7：基于人体骨骼Wolff定律的长径比调控和超材料强化策略