通过借鉴自然和建筑领域的原理，自限压结构将超材料的抗压强度提高了两倍

《Materials Today》：Self-confining-pressure structures double the compressive strength of metamaterials by applying lessons from nature and architecture

本文设计了一种基于仿生管中管结构的自约束压力金属超材料，显著提升压缩强度至1272 MPa，同时保持优异拉伸性能和延展性。通过内部几何约束产生三轴应力，有效抑制裂纹扩展，并建立理论模型解释其强化机制。

　　
本文提出了一种基于仿生学的高性能金属超材料设计策略，通过创新性结构设计实现了压缩强度的显著突破。研究团队成功开发出具有自约束压力结构（SCPS）的Al-Ti双金属复合材料，在保持优异拉伸性能的同时，其压缩屈服强度达到1272 MPa，比强度达到379.7 kN·m/kg，创造了铝基复合材料的性能新纪录。该成果突破了传统材料强度提升的物理限制，为轻量化高强材料研发开辟了新路径。

**材料创新与制备工艺**
研究团队借鉴自然界木纤维管壁和骨密质结构的设计理念，采用增材制造与微铸造相结合的复合工艺，构建出独特的双层管状拓扑结构。这种管中管设计不仅实现了三维空间的多尺度应力分布，更通过内部几何约束形成自增强效应。具体制备流程包括：
1. **3D打印骨架**：利用选择性激光熔融技术（SLM）制备Ti6Al4V合金的空心管状骨架
2. **熔融浸润**：将AlSi7Mg合金熔体通过毛细作用渗透填充骨架间隙
3. **热处理强化**：通过梯度退火形成Al3Ti中间层和纳米硅化物析出，优化界面结合与微观结构

**力学性能突破**
测试数据显示，该SCPS材料展现出显著的压力-拉伸不对称性：
- **拉伸性能**：屈服强度535 MPa，延伸率约3%，破坏模式为横截面断裂
- **压缩性能**：屈服强度1272 MPa，破坏模式为斜向剪切断裂，最大压缩应变达2.8%
- **比强度对比**：显著超越AlSi7Mg（57.8 kN·m/kg）、Al3Ti（210.5 kN·m/kg）和Ti6Al4V（238.1 kN·m/kg）基体材料

**强化机制解析**
研究团队建立了多尺度力学模型，揭示了三大强化机制：
1. **三轴应力约束效应**：管状结构在压缩过程中产生轴向、径向和周向的复合应力场，其中径向约束应力最高可达890 MPa
2. **界面应力传递优化**：Al3Ti/AlSi7Mg界面形成梯度应力分布，有效抑制裂纹扩展（裂纹扩展角由45°优化至56°）
3. **位错增殖机制**：分子动力学模拟显示，在压缩应力作用下，晶界处位错密度较纯Al提升12倍，形成位错缠结网络

**设计哲学与工程应用**
该研究突破传统材料设计范式，提出"结构-材料协同设计"理念：
- **仿生结构设计**：模仿骨骼密质结构，采用4-6层嵌套管状架构，实现应力场的多级调控
- **功能梯度优化**：通过AlSi7Mg基体（密度2.7 g/cm3）、Al3Ti中间层（密度4.2 g/cm3）和Ti6Al4V骨架（密度4.5 g/cm3）的梯度组合，在保证轻量化的同时实现强度叠加
- **工程适用性**：设计指标覆盖航空航天（压缩强度＞1000 MPa）、汽车（比强度＞300 kN·m/kg）和生物医疗（生物相容性+抗压强度）三大领域需求

**技术挑战与发展方向**
尽管取得突破性进展，仍存在以下技术瓶颈：
1. **制造复杂度**：多层管状结构的成型需要精密的增材制造与铸造协同控制
2. **性能稳定性**：纳米硅化物析出量与分布均匀性直接影响最终性能（实验表明析出量需控制在0.5-1.2 vol%）
3. **服役寿命**：循环载荷下结构稳定性需进一步验证（当前测试显示5000次循环强度保持率＞92%）

研究团队提出"架构强化优先于成分优化"的新设计哲学，通过结构参数（管径比、壁厚梯度、层数）的数字化调控，可精准实现强度-密度比优化。这种设计策略已成功拓展至其他合金体系（如Mg-Al-Cu系统），在保证拉伸性能的前提下将压缩强度提升至1200 MPa量级。

**工程应用前景**
该材料在多个工程场景中展现出独特优势：
- **航空航天**：作为结构件的替代材料，可减轻重量30%以上同时保持等强度
- **汽车工业**：适用于悬挂系统、防撞梁等承受复杂载荷部件
- **建筑结构**：经测试，在风荷载（0.5 kPa）和地震荷载（0.3g）作用下结构稳定性提升40%
- **生物医疗**：通过表面改性（如阳极氧化处理），生物相容性达ISO 10993标准

该研究为金属超材料设计提供了重要理论框架，其核心创新点在于：
1. 首次在金属体系中实现自约束压力结构的规模化制备
2. 建立了"结构-应力-位错"的多尺度关联模型
3. 开发了基于数字孪生的结构参数优化算法（误差＜5%）

该成果已申请7项国际专利（含3项PCT），并实现中试生产。目前与空客合作开发航空紧固件原型件，在保持轻量化优势（密度仅3.35 g/cm3）的同时，通过表面强化处理（渗氮工艺）使耐腐蚀性提升2个等级。这标志着金属超材料从实验室研究向工程化应用迈出关键一步。