《Advanced Materials》：Breaking the Surface: Buoyant Metal–Polymer Open–Cell Hybrid Lattice Metamaterials
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金属点阵超材料在生物医学、航空航天、国防和热工程领域展现了变革性潜力，但其在浮力海洋结构中的应用一直难以实现，原因在于其开孔结构天然阻碍浮力产生，即使材料密度低于水也依然如此。本研究首次报道了一种可浮的金属-聚合物开孔混合点阵超材料。该设计由一种新颖的骨架密度
金属点阵超材料在生物医学、航空航天、国防和热工程领域展现了变革性潜力，但其在浮力海洋结构中的应用一直难以实现，原因在于其开孔结构天然阻碍浮力产生，即使材料密度低于水也依然如此。本研究首次报道了一种可浮的金属-聚合物开孔混合点阵超材料。该设计由一种新颖的骨架密度（ρskeletal）框架所指导，其核心是一个与外部环境无关的浮力参数，该参数将外部可进入的孔隙率排除在外。所得到的混合结构结合了Ti-6Al-4V中空支柱点阵（HSLs）——通过激光粉末床熔融（PBF-LB）制造——以及在每个支柱内部通道中注入的可发泡聚氨酯（PU）泡沫。该结构在保持外部开孔渗透性的同时，实现了低于1.0 g/cm3的骨架密度，从而实现可靠的浮力预测与控制。研究人员利用一个Ti-6Al-4V+PU混合浮标展示了其实际应用性，该浮标能在天然海水中稳定漂浮。这种混合结构比高密度聚乙烯（HDPE）和316L不锈钢（SS316L）等传统船用材料具有更高的比强度。海水浸泡试验进一步证明了其耐腐蚀性和排水性。有限元模拟阐明了断裂起始机制并预测了与实验观察一致的失效模式。重要的是，这些混合浮力结构即使在严重结构损伤后仍能保持漂浮。这项工作引入了一类新型浮力超材料，并确立了骨架密度作为开孔结构在目标液体介质中进行通用设计的原则。
**论文解读：可浮金属-聚合物开孔混合点阵超材料**
**1. 研究背景与问题**
金属点阵超材料凭借精确可控的拓扑结构和力学性能，在航空航天、国防、热管理和生物医学等领域展现出广阔前景。然而，其典型的开孔架构虽然带来了高渗透性和功能性表面积，却从根本上阻碍了浮力的实现。根据阿基米德原理，物体能否漂浮取决于其有效平均密度是否低于周围液体；对于开孔金属点阵而言，即便整体密度（ρ
bulk）低于1.0 g/cm3，水仍会迅速渗入其内部多孔网络，导致有效质量增加、浮力丧失。传统的聚合物填充混合策略虽然能增强金属点阵的阻尼、隔热或隔声性能，但通常会将开孔结构转化为闭孔结构，不仅大幅提高密度，还牺牲了渗透性和比表面积。因此，如何在保持金属点阵承载能力和开孔特性的同时赋予其可靠浮力，成为一个关键挑战。中空支柱点阵（HSLs）的出现提供了新的解决途径：其内部中空通道可在不改变外部开孔形貌的前提下容纳二次材料，从而实现浮力、力学性能与开孔功能的一体化设计。
**2. 研究内容与核心发现**
本研究首次提出了“骨架密度（ρ
skeletal）”这一环境无关的密度设计指标，用以准确预测和控制开孔点阵的浮力。该框架排除了外部可进入的孔隙体积，仅考虑封闭的固体壳体和内部封闭通道的质量与体积。在此基础上，研究人员利用激光粉末床熔融（PBF-LB）技术制备Ti-6Al-4V中空支柱点阵，并向其内部通道注入可发泡聚氨酯（PU）泡沫，成功构建了可浮的Ti-6Al-4V+PU开孔混合点阵超材料。实验证明，当骨架密度低于水密度时，混合点阵即便在结构严重受损后仍能稳定漂浮。此外，该混合结构在承载能力、耐腐蚀性、抗损伤浮力恢复能力等方面均优于传统船用材料，并在天然海水中展示出实际应用价值。该工作确立了一种新的设计范式，使开孔金属点阵能够运用于海洋浮力结构等此前难以企及的应用领域。
**3. 主要技术方法**
本研究所使用的关键实验方法包括：①**激光粉末床熔融（PBF-LB）**，用于打印Ti-6Al-4V中空支柱点阵；②**PU泡沫低压注入**，利用可发泡聚氨酯填充中空通道；③**数字显微镜深度剖面分析**，用于表征Ti-6Al-4V与PU的界面结合质量；④**单轴压缩试验**和**有限元（FEM）模拟**，用于揭示变形与断裂机制；⑤**海水浸泡试验**，用于评估耐腐蚀性和水排除能力。实验中使用的海水取自澳大利亚维多利亚州菲利普港湾（Port Phillip Bay），名义密度为1.03 g/cm3。
**4. 研究结果**
**4.1 骨架密度与可浮Ti-6Al-4V+PU混合点阵的设计**
通过将骨架密度作为设计准则，研究人员系统地调节了中空支柱的内径（2.5–4.0 mm），使混合点阵的理论骨架密度在0.75–1.17 g/cm3之间变化，从而实现对浮力行为的设计控制。
**4.2 Ti-6Al-4V+PU混合点阵的宏观与微观表征**
宏观观察显示PU泡沫均匀填充了整个中空通道，而微观界面分析表明Ti-6Al-4V与PU之间形成了连续、无缺陷的界面结合，内部分布着10至200微米的闭孔结构，有效阻止了水的侵入。
**4.3 浮力评估**
在淡水（0.997 g/cm3）中长达两个月的浸泡试验表明，未填充PU的HSL均沉没，而骨架密度低于水密度的混合点阵则稳定漂浮，无可见气泡泄漏或水渗入。润湿性测试显示样品的质量增加仅为1.5%–4.7%，远低于水整体浸入预期值。
**4.3.1 润湿性**
依据ASTM C272标准进行的测试确认，PU密封有效阻止了水进入内部点阵结构，观察到的质量归因于PBF-LB表面粗糙产生的薄水膜。
**4.3.2 耐腐蚀性**
在天然海水中浸泡2周后，混合点阵质量损失仅为0.15±0.03%，屈服强度和抗压强度分别仅下降0.37%和0.86%，验证了Ti-6Al-4V固有的耐蚀性和PU填充层的保护作用。
**4.4 力学性能与变形响应**
压缩测试表明，混合点阵的屈服强度（σ
YS）为10.8±0.3 MPa，极限抗压强度（σ
UCS）为12.4±0.3 MPa，弹性模量为567.9±10.6 MPa。PU填充对力学性能的增益仅为2%–7%，但赋予了点阵浮力。所有样品均出现约45°剪切断裂带，裂纹起始于节点处孔隙最多的PU注入口。有限元模拟再现了这一断裂过程，识别出节点为应力集中和失效起始的关键区域。
**4.4.1 力学基准比较**
在相同密度（约0.27 g/cm3）条件下，可浮混合点阵的屈服强度（10.3 MPa）超过了高密度聚乙烯（约5.5 MPa）和316L不锈钢（约6.9 MPa）的密度等效值，表明钛基混合点阵具有更高的比强度。
**4.4.2 损伤韧性浮力**
对受损样品进行压缩—回浮试验，结果显示混合点阵即使经历节点断裂、完全层裂等严重损伤，仍能保持漂浮，仅当进入压缩致密化阶段后由于骨架密度增大才逐渐下沉。模拟计算表明，临界致密化应变约为14%–26%。
**4.4.3 结构与浮力功能解耦**
PU泡沫主要承担浮力功能，而Ti-6Al-4V骨架控制力学性能。该“结构-功能解耦”设计使得混合点阵在不牺牲承载能力的前提下实现浮力，且该设计准则不依赖绝对尺度。
**4.5 Ti-6Al-4V+PU超材料海洋浮标**
一个高100 mm、宽85 mm的混合点阵浮标在天然海水湍流中稳定漂浮，绕中心轴旋转约45°，无需外部密封或辅助浮力装置，验证了该结构在实际海洋环境中的可行性。
**4.6 结构强化**
提出了内部薄板、变截面支柱和多拓扑混合等强化策略，以在不影响泡沫注入和浮力性能的前提下进一步提升强度。
**4.7 制造考虑**
确定最小可制造通道直径为0.7 mm，粉末清除和泡沫完全注入均以此为标准。工业级μCT可用于无损验证内部通畅性，结合加压空气、干冰喷射等方法可确保清洁的通道。
**4.8 尺度问题**
更大尺寸结构可能面临填充不完全和密度变化问题，提出多点注入、真空辅助和CFD模拟优化泡沫填充路径。
**4.9 骨架密度的应用前景**
该设计框架与材料无关，可推广至陶瓷、复合材料、功能材料等多种二次填充体系，为开发多功能超材料提供了通用设计法则。
**5. 讨论与结论**
本工作突破了传统开孔金属点阵不能浮于水面的限制，建立了骨架密度这一通用设计准则。混合点阵在损伤后仍能保持浮力、耐海水腐蚀且具有高于常规船用材料的比强度，展示出优异的综合性能和应用潜力。该成果发表于《Advanced Materials》。未来，该框架有望进一步扩展到其他材料体系，用于海洋工程、浮力结构、水下装备等多功能应用领域。
