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当前机械超材料研究多聚焦准静态特性，在极端动态条件下的应用受限。研究人员制备了基于壳结构微架构的中熵合金（MEA）超材料。结果显示其在宽应变率范围有超高能量耗散性能。该研究为开发轻质抗冲击超材料奠定基础。
在材料科学的奇妙世界里，从啄木鸟坚硬且富有弹性的喙，到日常生活中保护物品的泡沫包装，轻质多孔材料凭借出色的冲击能量耗散能力，在防护领域默默发挥着重要作用。然而，传统轻质多孔材料内部结构的随机性，就像一盘散沙，限制了其机械性能的精准调控，使得它们在吸收能量方面存在明显的上限。
随着科技的飞速发展，3D 打印技术，也就是添加剂制造（AM）技术的出现，为材料科学带来了新的曙光。它就像一把神奇的钥匙，开启了制造复杂几何形状和独特微观结构材料的大门，而且制造出的零件几乎不需要后续加工就能直接使用。在这样的背景下，机械超材料应运而生，这种通过拓扑工程设计的 3D 结构材料，被视为超越传统随机泡沫或气凝胶的优质轻质增韧策略。特别是金属晶格，它巧妙地将金属或合金的增韧机制与坚固的结构相结合，实现了低密度、高强度和高能量耗散的完美组合。
但目前，大多数关于机械超材料的研究都集中在准静态特性上，对其在极端动态条件下的行为，尤其是在与实际应用相关的长度尺度下的表现，了解得还非常有限。与此同时，多组分合金，如高熵合金（HEA）和中熵合金（MEA），因其独特的性能受到了广泛关注。像 CoCrNi MEA 这种具有低堆垛层错能（SFE）的材料，即使在极端低温和动态加载条件下，也能展现出连续的增韧机制，从而延长应变硬化行为。然而，在这一领域，创新大多集中在开发新合金成分或加工方法上，对 3D 结构的 HEA/MEA 研究较少，而且现有的研究主要关注其准静态机械性能，严重阻碍了这类材料在实际场景中的应用。
为了解决这些问题，来自未知研究机构的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们通过自主开发的高分辨率选择性激光熔化（HR-SLM）系统，制备出了轻质的 CoCrNi MEA 微结构超材料。研究发现，这种超材料在很宽的应变率范围（跨越七个数量级）内都具有超高的能量耗散能力，性能远超现有的超材料和合金。这一研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为轻质抗冲击超材料的发展开辟了新的道路。
在研究过程中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先是自主开发的 HR-SLM 系统，用于制备 CoCrNi MEA 3D 微结构超材料；其次，利用多种微观结构表征技术，如微观计算机断层扫描（μCT）重建、电子背散射衍射（EBSD）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）等，来分析材料的微观结构和变形机制；最后，借助有限元分析（FEA）对材料的力学性能进行模拟和分析。
下面来详细看看研究结果：
- HR-SLM 和准静态力学性能：HR-SLM 系统通过采用更小的光斑尺寸（25μm）和更薄的层厚（10μm），在打印部件中诱导出更细的晶粒结构和更密集的位错胞网络，使材料在不牺牲延展性的前提下提高了强度。研究人员对三种相对密度相似（约 17%）的 3D 架构进行研究，发现拉伸主导的 TPMS 壳晶格（gyroid）不仅具有比弯曲主导的体心立方（BCC）支柱晶格更高的模量和强度（模量和强度是 BCC 的四倍以上），而且应力 - 应变曲线更平滑，没有屈服后软化现象，比能量吸收是 BCC 的两倍以上。有限元分析表明，gyroid 壳架构在各个方向上都比同样密度的周期性桁架晶格更硬，其连续光滑的表面拓扑结构使应变分布更均匀，能够在给定的压缩应变下实现更高的强度和更多的塑性耗能。
- 原位弹丸冲击和架构诱导的动态效应：通过一系列原位弹丸冲击试验，研究人员发现，在弹丸速度超过 500m/s 时，BCC 和 octet 晶格的样品会被完全穿透，而 gyroid 晶格即使在速度超过 900m/s 时仍能阻止弹丸穿透。gyroid 壳架构在特定非弹性能量方面表现出明显优势，其压实前沿密度更高，接触面积更大，塑性耗散更多。研究还发现，不同架构在动态加载下的性能表现受惯性响应和压实效应的共同影响，gyroid 壳晶格在动态加载下具有最高的惯性响应和压实塑性耗散，展现出卓越的动态能量耗散能力。
- HR-SLM CoCrNi 中的多尺度动态增韧：研究人员通过对不同应变率下冲击后的 gyroid 晶格进行 EBSD 和 TEM 分析，揭示了材料的动态变形机制。在准静态或弱动态区域（应变率低于 103 s?1），变形主要源于变形孪晶（DTs）与位错胞网络的相互作用；随着应变率升高到 103 s?1 左右，DTs 结构不断成核和生长，形成更复杂的分层缺陷微观结构；当应变率进一步增加到 10? s?1，会产生包含六方密堆积（HCP）相的复杂 DT 网络和纳米级非晶带；在应变率接近 10? s?1 时，出现绝热剪切带（ASBs）和受限的空洞形核。这些复杂的缺陷演变和变形机制，实现了在不同应力水平下的分层能量耗散，有效增强了材料在极端动态加载下的性能。
- 性能比较：与其他报道的微晶格和金属材料相比，HR-SLM MEA 壳微晶格的比强度超过大多数微 / 纳米晶格，且由于 CoCrNi 的低 SFE，其兼具高强度和延展性，比能量吸收更高。在动态加载下，MEA 微晶格的特定非弹性能量值超过其他整体金属 / 合金，这主要得益于 gyroid 壳架构增强的惯性响应，能够提前激活低 SFE MEA 中的增韧机制。
研究结论和讨论部分指出，研究人员成功制备出在准静态和动态区域都具有超高能量耗散的 3D CoCrNi MEA 微晶格。他们确定了三个有助于在金属超材料中实现高能量耗散的主要设计参数：在大应变压实区域最大化自接触和塑性耗散；优化惯性响应以放大超材料中的动态应力并增强应变率相关的材料性能；最小化 SFE 以实现多尺度变形机制的持续演变。这项研究不仅为实现宏观尺寸样品的超高动态能量耗散性能提供了途径，还为理解金属超材料中架构诱导、制造过程诱导和材料诱导的变形机制之间的复杂关系奠定了基础，为超材料的逆向设计开辟了道路，有望在国防、航空航天和汽车等领域的轻质碰撞吸收应用中发挥重要作用 。
