然而，燃烧这些含碳或无碳燃料时，环保挑战接踵而至：碳烟与氮氧化物的生成，主要源于燃料与空气混合的”最后一公里”未能打通。传统喷射系统针对单一燃料优化，面对氢气、天然气、甲醇、煤油等物性差异巨大的燃料时，往往力不从心，导致混合物形成不足、排放增加，温室气体减排潜力远未充分释放。

根据3D科学谷的市场观察，这一技术缺口，有望被斯图加特大学与德国航空航天中心（DLR）联合开展的AMFlexInj项目进行填补。该项目通过增材制造（3D打印）技术，将航空涡轮机的先进喷射原理微型化，设计出能够适应多种燃料的新型微喷油器，即便打印表面存在微观粗糙度，也能实现优异的燃料-空气混合。

这一创新如何突破传统制造极限？紧凑型燃气轮机的燃料灵活性创新又将如何重塑分布式能源与海事推进的未来？本期谷·前沿将进一步探究这些话题。

一种增材制造的喷射系统，用于燃气轮机中替代燃料与化石燃料的清洁燃烧。
来源：斯图加特大学

 燃料物性差异对喷射系统带来的挑战

燃气轮机燃烧含碳气体或液体时，碳烟与氮氧化物的生成主要源于燃料与空气混合不充分。

传统喷射系统通常针对单一燃料优化，但氢气、天然气、甲醇等电子燃料以及相对粘稠的煤油，其物理化学性质差异极大，导致现有紧凑型燃气轮机喷射系统难以在多种燃料下均实现理想的混合物形成。

其直接后果是排放升高，且温室气体减排潜力无法充分利用。对于能源系统、海事应用等场景而言，这构成了低碳转型的实质性障碍。

 增材制造表面粗糙度卡住”微小开口”

增材制造已在燃气轮机的燃烧室、叶片等结构件上广泛应用，但喷射系统这一核心功能件却长期缺席。

原因在于，在金属粉末床熔融（PBF）工艺中，金属粉末被逐层熔化堆积，成形表面的粗糙度难以满足精密喷射要求。

当需要通过极细小的内部结构将精确量的燃料以细雾形式喷入燃烧室时，打印表面的微小缺陷会严重干扰雾化效果与流量精度。

这正是AMFlexInj项目要攻克的技术壁垒。

 航空技术微型化，实现粗糙表面下的优异混合

AMFlexInj 项目团队的关键创新点在于，没有单纯追求绝对的光滑表面，而是将航空涡轮机中的先进喷射原理微型化，并首次融入增材制造喷射器设计。

研究团队通过协同优化3D打印生产参数、后处理步骤和喷射器几何形状，实现了极细内部结构的精确、可重复制造。

这一创新设计使得即便打印表面存在一定粗糙度，特殊设计的喷嘴仍能产生优异的燃料-空气混合，从而在实验室条件下实现了非常清洁的燃烧过程。

 多轮迭代，从氢到煤油全面验证

项目团队首先将3D打印、后处理与喷射器几何形状的生产参数作为一个整体进行优化，确保极细内部结构的制造精度与一致性。

随后，在接近真实燃气轮机工况的实验室条件下，使用从氢气到煤油的各种燃料对喷油器进行测试，并将燃料分布、火焰稳定性、氮氧化物和碳烟排放与传统系统进行系统比较。

这一过程将在多个周期中重复迭代，直至性能、成本和排放指标达到目标参数。

 从实验室走向产业化的关键一步

AMFlexInj（Additively Manufactured Micro-Injection Concepts as Enablers for Fuel-Flexible and Low-Emission Combustion Systems）是一项转化验证项目，由德国联邦研究与技术部（BMFTR）通过VIP+资助计划提供150万欧元支持，执行期至2029年底。

该项目建立在斯图加特大学燃烧技术研究所（IVLR）、机床研究所（IFW）与DLR燃烧技术研究所长期合作的基础之上，前期研究来自ICM自底向上项目（ICM-BUP-28）和DFG项目SPP 2419 – HyCAM。

目前，增材制造喷射器已在实验室条件下完成初步验证，研究团队计划下一步优化制造工艺与喷嘴几何形状，随后制造原型并在真实工况下与DLR合作测试多种燃料。

AMFlexInj项目的目标，是验证一种用于紧凑型燃气轮机的增材制造多燃料喷射器的技术可行性，同时保持低排放。更深远的意义在于，总燃烧器系统的增材制造将同步降低生产和开发成本。这是由于，燃烧室与燃烧器本身已广泛采用3D打印，集成化的喷射器制造可进一步压缩成本与供应链复杂度。项目成果为工业合作伙伴和被许可人提供了进一步开发的机会，有望应用在能源系统、海事应用，并有望在未来拓展至航空领域。

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微重力环境下，金属熔凝、熔池流动及缺陷形成规律与地面差异显著，亟需通过多层级试验积累工艺数据。近日，中科院力学所利用失重飞机（抛物线飞行）完成了微重力条件下金属增材制造与空间流体管理试验，针对不锈钢、钛合金、铝合金及高熵合金等材料，获取了熔凝行为、熔滴过渡、熔池蒸发及成形性能等关键数据，为构建”落塔—失重飞机—火箭—在轨平台”的全链条验证体系提供了重要支撑。

以下是来自中国科学院力学研究所的报道。

近日，中国科学院力学研究所（以下简称“力学所”）在西安圆满完成太空金属制造技术及空间热控与流体管理技术的失重飞行试验验证。本次试验累计开展二十余次有效失重飞行，成功验证太空金属制造领域多项关键核心技术，同步完成空间流体物理与调控技术实验，既定目标全部达成。

失重飞行借助飞机高空抛物线机动，营造短时稳定的微低重力环境。该手段具备试验条件可重复、有人协同操作便捷、载荷状态实时可调、载荷重量与空间限制少等显著优势，更能精准复现月球、火星等地外天体的低重力环境。相较其他试验路径，失重飞行准备周期短、技术迭代效率高，是太空制造领域开展关键技术验证与快速迭代的核心手段之一。

图1 失重飞行示意图

本批次金属制造试验聚焦太空增减材制造技术，围绕航天器广泛使用的不锈钢、钛合金、铝合金及高熵合金等典型金属材料进行验证，系统探索多工艺、复杂工况下的金属成形原理与技术窗口，获取了低重力条件下合金熔凝行为、熔体过渡、熔池蒸发、元素烧蚀、缺陷形成特性、成形结果及性能参数等一系列关键数据，为太空制造工艺定型与材料优选奠定了数据底座。

图 2 失重飞行实验中金属制造过程的熔池行为、熔滴回爬、成形样品举例

图3 力学所针对失重飞机平台研制的综合试验装备开展电磁实验测试

在空间流体物理与调控方向，科研团队开展了低重力环境下的喷雾冷却、推进剂贮箱流体管理实验，揭示了喷雾冷却液膜动力学特征及其重力作用机制，并深入解析了微/变重力条件下局部液面扰动诱发的流体晃动行为。

此次任务的完成，叠加研究团队在落塔实验常态化运行、“力鸿一号”火箭太空飞行实验、轻舟货运飞船在轨实验等方面的前期布局，标志着力学所在太空金属制造领域正式完成“落塔—失重飞机—火箭—在轨平台”四级实验验证体系。该体系贯通了从基础原理验证、关键技术验证到太空亚轨道与在轨实验的工程化验证全链条，实现了从基础研究、技术突破到工程样机与产品设计全面考核的衔接。由此沉淀的数据资产与技术基础，将显著加快相关技术迭代升级节奏，大幅提速我国太空制造技术从演示验证迈向工程应用的进程，为后续突破太空原位制造、在轨修复、地外资源利用与地外建设等核心能力筑牢根基、提供坚实支撑。

下一步，力学所科研团队将携手国内科研单位与优势企业开展深度协同攻关，依托火箭、空间站等太空试验平台，持续完善太空制造技术体系，加速核心技术工程应用落地，为地外制造、深空探测与太空经济的高质量发展提供有力支撑。

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▲散热技术发展路线图
© 3D科学谷

▲ 液冷冷板的关键设计驱动因素
© 3D科学谷白皮书

 英特尔的判断
     风冷撞墙，液冷进入芯片级深水区

英特尔在大会现场首先给出了一组不容回避的物理事实：风冷的扩展正呈现收益递减、成本飙升的剪刀差曲线——更大的散热器与更高的风扇转速只能换来边际递减的结温改善，而风扇功耗、声学问题与可靠性风险却急剧上升。从2U增强风冷（EVAC）、热管远程散热器（Remote HS），到标准冷板与最高密度的3D均热板（6U 3D VC），风冷与常规液冷的产品演进已逼近终点。

随之而来的是一场液冷部署模式的切换。英特尔将当前客户部署归纳为两条路径：新建AI及托管机房普遍采用冷机一体化液冷数据中心方案，冷机从设计之初即融入设施核心，第一天即支持更高机柜功率密度；而存量风冷机房则通过液冷侧车（sidecar）方案渐进改造，以换热器方式接入液冷，作为向高密度过渡的桥梁。

真正值得注意的是技术底座的深层变化。英特尔系统梳理了2017–2026年多代、经超大规模客户验证的液冷技术谱系——单相直触冷板（Single-Phase DTC，已在超大规模数据中心以PG25基液验证）、两相直触冷板（2-Phase DTC，以更低流量应对极端热流密度）与浸没式冷却——并明确指出：面向下一代AI机架，液冷的竞争焦点已上移至芯片界面本身。

 范式革命的核心：
     消除界面、逼近硅片

英特尔在本次大会上释放的最强信号，是 MC-IHS（Micro-Channel Integrated Heat Spreader，微通道集成热扩散器）与先进冷板架构的集中亮相。

MC-IHS 实现22%–30%的热性能提升：传统散热栈为冷板—TIM2—热扩散器（IHS）—TIM1—芯片裸片，多层界面层层叠加热阻；MC-IHS 将冷板功能直接集成进处理器热扩散器，彻底消除冷板与IHS之间的完整界面层——这正是传统设计中热阻的主要来源。验证数据显示，MC-IHS 相比参考方案带来22%–30%的热性能改善，目标热阻剑指行业领先规格。

三种先进冷板架构并行推进：英特尔同时展示了2.5D微通道冷板（面向未来超高功率AI平台，在硅片界面实现精准冷却剂输送与最佳热点抑制）、3D多层冷板（堆叠微流控层最大化换热面积，多注入歧管优化流量分配，三者中热流密度承载能力最高）、以及铲齿鳍片+分流式歧管冷板（在热性能与可制造性间取得平衡，针对量产优化）。三者均经过CFD热-流联合仿真验证。

功率阶梯决定了制造工艺的代际跨越： 在英特尔绘制的散热技术全景图上，技术坐标按总设计功率清晰分层：1–2kW区间由铲齿鳍片冷板、热管散热器、单相LAAC占据；2–4kW区间由歧管+铲齿鳍片冷板、定制3D VC、微通道冷板接棒；4–6kW及以上区间，则属于两相冷板、MC-IHS，直至裸片背面直冷（Direct Cooling on Die Backside）。英特尔同时坦承：即便在液冷内部，微射流冲击等方案的设计复杂度与可靠性挑战也在同步上升——越靠近芯片，流道越微细、几何越复杂、制造越困难。在这方面，英特尔正在测试3D打印的冷板性能。

根据3D科学谷的市场洞察，这正是增材制造的历史性机遇：传统加工无法实现曲面、分叉与异形流道，多层堆叠结构需多部件拼接、焊缝即泄漏隐患；而金属3D打印可将冷板一体化成型，实现更高的内部流道精度，更微细的翅片，以及采用TPMS等三维拓扑结构可将有效散热面积扩大数倍。

 SynaCore AM-DT：
     为芯片级散热补上确定性制造底座

但机遇的另一面是硬约束。MC-IHS 与多层微通道冷板的流道特征尺寸已进入百微米量级，此类复杂零件对增材制造提出了两个前所未有的挑战：其一，多尺度物理耦合——粉末尺度（20–60μm）的熔池行为、介观尺度的微观组织演化、零件尺度的热历史与残余应力变形，共同决定流道的最终成形质量，任何单一尺度的经验模型都不足以预测；其二，表面粗糙度——增材制造内流道的表面粗糙度直接影响流阻、压降与换热系数，而内流道粗糙度在打印前无法测量、打印后难以加工修正，只能依赖预测与控制。

针对这两大挑战，源自新加坡的 SynaCore AM-DT 物理AI增强增材制造数字孪生软件，提供了针对性解法：

多尺度仿真：从熔池到零件的贯通预测。 SynaCore AM-DT 数字孪生的多模态物理仿真模型与AI算法覆盖粉末—熔池—微观组织—零件性能的全链路：从打印态微观组织（含析出相）预测机械性能，并进一步预测热处理结果；对冷板而言，这意味着可预判微通道的成形质量、残余应力分布与变形趋势，提前识别气密性失效风险。尤为关键的是，这一能力建立在基于SynaCore第一性原理物理规律的全尺度仿真之上，这与冷板的几何个体化强、流-热-力耦合复杂的特点高度契合，避免了降阶模型在全新构型上外推失准的风险。

表面粗糙度预测：把流道内壁状态变成设计变量。 在微通道尺度下，表面粗糙度与流道直径的比值显著放大，粗糙峰不仅抬高压降、诱发流动分离，还会成为空化与污垢沉积的起点。SynaCore AM-DT 对打印表面形貌的预测能力，使工程师能够在设计阶段就将粗糙度作为约束条件——在热性能、压降与可制造性之间做量化权衡，而非事后返工。结合其 Adaptive Tool Path 自适应路径技术对逐层热历史的动态调控，粗糙度有望从随机缺陷转变为可控工艺输出。

跨设备工艺迁移：从单件验证走向批量一致。 SynaCore AM-DT 旨在解决在不同系统与材料上开发工艺参数的行业核心难题，使不同OEM设备进化出各自独特的工艺大脑，破除加工黑箱——这是液冷增材制造从实验室样件走向数据中心批量交付的前提。

 预测原理：
     粗糙度从多物理场仿真中而生

SynaCore AM-DT 的表面粗糙度预测并非基于统计回归或经验查表，而是嵌在其粉末尺度（powder-scale）多物理场仿真链中的一个自然涌现的物理输出。其技术路径可拆解为四层：

1. 真实粉床构建（输入层）平台首先通过铺粉仿真模块（Powder-Bed Module）模拟刮刀/重涂器运动下的粉末流动，计算粉末堆积密度。关键在于：它使用非球形颗粒模型，并输入实测的粒度分布，这是粗糙度预测可信度的第一道关口——粉床的几何无序性是表面粗糙的重要来源之一。

2. 激光-物质相互作用（能量层）光线追踪模块（Ray Tracing Module）显式模拟激光束在粉床与熔池表面的反射和吸收，精确计算能量吸收率，并评估粉末形貌与粒度分布对能量吸收的影响。这一步决定了熔池的热输入边界条件，而热输入直接决定熔化深度与表面张力驱动的熔池流动（Marangoni 对流），进而影响凝固后的表面形貌。

3. 熔池-凝固-微观组织耦合求解（核心层）粉末尺度模块采用四个求解器耦合的相场（Phase Field）框架：多相热求解器 → 流体动力学求解器 → 相变求解器 → 微观组织求解器，在多个扫描矢量、多层堆叠的条件下，同步显式输出局部温度曲线、熔池形貌、孔隙形成与微观组织演化——表面粗糙度（Surface roughness）即作为该模块的标准输出之一。

4. 界面厚度参数校准（模型校准层）相场模型中界面厚度（interface thickness）是关键自由参数，直接影响模拟表面的粗糙度。AM-DT的机制解释了增材制造表面粗糙的方向性差异：竖直壁面（侧表面）由层层堆积的熔池边缘轮廓主导与水平顶面由最后一层熔池凝固形貌主导的粗糙度的差异。对液冷微通道而言，这一区分至关重要——通道侧壁与顶面的粗糙度对压降和换热的影响权重不同。

液冷散热的确定性爆发已是行业共识，但真正决定产业格局的，是谁能在规模化制造中率先解决质量一致性与成本可控性的难题。Intel在大会上展示的技术路线图清晰地指出了方向——从风冷到液冷、从标准冷板到微通道冷板、从外部散热到芯片级集成。而增材制造，尤其是当它与数字孪生技术深度融合时，正在成为这一路线图从愿景走向量产的关键使能者。

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近日，中南大学研究团队在金属材料领域期刊Acta Materialia发表了题为“Strength retention induced by thermally stable nanoprecipitates in an additively manufactured Al-Fe-Cr-Sc-Zr alloy after long-term exposure at 400 °C”的研究论文。中南大学王悦婷为论文第一作者，李瑞迪和甘科夫为通讯作者。

该工作针对增材制造耐热铝合金在长期高温服役过程中易发生析出相粗化和强度衰减的问题，系统研究了PBF-LB成形Al-Fe-Cr-Sc-Zr合金在400 ℃长期热暴露后的组织演变及室温强度保持机制。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122741

图1 论文Graphical Abstract

 01 研究背景

增材制造为复杂轻量化耐热铝合金构件的制备提供了新的技术路径。然而，对于长期服役构件而言，仅具有较高的瞬时高温强度并不足够。材料在经历数十甚至数百小时高温暴露后，能否在冷却至室温后仍保持足够的力学性能，同样直接关系到构件的服役可靠性。

尤其在300–400℃温度区间，析出相粗化、亚结构回复以及晶粒长大等过程往往会削弱材料的强化效果。因此，如何稳定纳米析出相并延缓高温组织退化，是增材制造耐热铝合金进一步提高服役温度和寿命的关键。

本研究选取PBF-LB成形的Al-2.5Fe-2Cr-0.6Sc-0.3Zr合金，结合SEM、EBSD、TEM/HAADF-STEM、APT、正电子湮没谱以及第一性原理计算，对其长期热暴露过程进行了多尺度研究。

 02 400℃热暴露200h后仍保持较高强度

合金经325℃/4h热处理后，室温屈服强度和抗拉强度分别达到482MPa和524MPa。随着400℃热暴露时间延长，材料强度逐渐下降，但整体表现出较好的稳定性。

即使经过400℃/200h热暴露，其室温屈服强度仍达到281MPa，抗拉强度为348MPa，屈服强度保持率约为60%。与此同时，在200℃热暴露过程中材料几乎没有明显强度损失，而300℃短时间热暴露还可产生一定的二次强化效应。这一结果表明，该合金在经历较为严苛的长期高温暴露后，仍能保持较高的室温承载能力。

图2 Al-Fe-Cr-Sc-Zr合金热暴露后的力学性能稳定性（原论文Fig. 1）

 03 长期热暴露后，哪些组织仍然“撑住了”强度？

400℃长期热暴露并非没有引起组织退化。随着热暴露时间增加，快速凝固形成的亚结构逐渐回复，部分亚稳Fe富集相发生分解和粗化，原始Al₆Fe共晶结构逐渐向更加稳定的Al₁₃Fe₄转变。

但与此同时，合金中的一些热稳定结构得以保留下来甚至在热暴露过程中进一步形成。一方面，等轴晶—柱状晶双峰晶粒结构整体仍保持稳定，Al₁₃(Fe,Cr)₂~₄等热稳定颗粒能够对晶界产生钉扎作用；另一方面，弥散的L1₂-Al₃(Sc,Zr)纳米析出相仍然可以提供有效的析出强化。论文认为，双峰晶粒、L1₂颗粒以及Fe/Cr富集相之间的协同作用，是长期热暴露后强度得以保持的重要基础。

 04 “茧状”Sc/Zr修饰θ′复合析出相

研究中较为值得关注的是，在经过400℃/200h热暴露后的等轴晶区域内观察到了一类尺寸仅为数十纳米的Sc/Zr修饰θ′复合析出相。

原子尺度表征显示，该复合析出相并不是简单的单一结构，而具有明显的空间成分分区：中心区域主要由Fe富集的单斜Al₁₃Fe₄构成，两端为Cr富集的Al₄₅Cr₇，而Sc/Zr则优先分布于Fe富集区域与Al基体之间，并形成有序L1₂-Al₃(Sc,Zr)界面结构。

APT结果进一步显示，Sc/Zr在析出相周围形成类似包覆层的分布特征，使整个颗粒呈现出具有明显界面修饰特征的“茧状”复合结构。

图3 Sc/Zr修饰θ′复合析出相的原子尺度结构及界面元素分布（原论文Fig. 8）

图4 沿[100]Al轴获得的θ′沉淀物的HAADF-STEM图像（原论文Fig. 9）

第一性原理计算进一步表明，Al₃Sc在Al₁₃Fe₄/Al界面的形成能够降低界面能，而在本身较稳定的Al₄₅Cr₇/Al界面作用相对有限。这种界面能差异为实验中观察到的Sc选择性界面偏聚提供了能量学解释。

因此，Sc/Zr并非简单形成独立析出相，而是能够在特定界面处发挥稳定作用，降低界面迁移和溶质扩散速率，从而有助于抑制复合析出相进一步粗化。

图5 不同界面结构的形成能（原论文Fig. 13）

图6 Al13Fe4/Al和Al45Cr7/Al界面的原子构型以及特定位置Sc替代对形成能的影响。（原论文Fig. 14）

 05 从“初始缺陷”到热稳定复合析出相

结合不同热暴露时间下的显微组织与正电子湮没结果，研究提出了Sc/Zr修饰θ′析出相可能的演化过程：

空位–溶质团簇→GP区 →亚稳θ′结构 →Sc/Zr修饰的稳定θ′复合析出相

随着热暴露进行，Sc/Zr逐渐由前驱结构内部向界面重新分配并形成L1₂包覆结构。正电子测试表明，长期热暴露过程中空位型缺陷持续减少，这与上述析出相演化过程相吻合。

图7 热暴露过程中θ′沉淀物的形成和生长。（原论文Fig. 15）

 06 总结

该研究表明，增材制造耐热铝合金在长期高温环境下的强度保持，并非依赖单一强化相，而是来源于双峰晶粒结构、热稳定L1₂纳米析出相、Fe/Cr富集金属间化合物以及热暴露过程中形成的Sc/Zr修饰θ′复合析出相之间的协同稳定作用。

其中，Sc/Zr在特定析出相界面的选择性偏聚，为抑制高温扩散和析出相粗化提供了一种值得关注的组织稳定化机制，也为面向200–400℃长期服役环境的增材制造耐热铝合金成分与界面设计提供了新的思路。

图8 Al-Fe-Cr-Sc-Zr合金总体强度保持机制示意图（原论文Fig. 10）

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陶瓷材料凭借超高硬度、耐高温和化学惰性，在航空航天热端部件、生物医用植入体等极端环境中不可替代。然而，共价键/离子键的方向性导致陶瓷本征脆性，微裂纹即可引发灾难性断裂。增材制造（AM）虽能实现传统工艺无法企及的复杂构型，但逐层成型特征、烧结收缩、热应力演化等工艺固有缺陷进一步放大了脆性，使增材制造陶瓷长期局限于原型验证阶段。

现有综述存在三大关键空白：缺乏区分“真协同”与“线性叠加”的定量标准、未明确增材制造工艺约束与多机制协同的兼容性映射、未系统总结协同失效机制与负面案例。填补这些空白，不仅能指导增材制造陶瓷从“原型制造”走向“工业化应用”，更为航空航天、生物医学、国防、能源等安全关键领域提供高可靠性陶瓷部件的设计范式。

西南交通大学李琦教授团队长期致力于环境与可持续发展功能材料研究，在陶瓷增材制造与增韧领域开展了系统工作。近日，该团队在JMST期刊发表了综述，创新地建立了增材制造陶瓷多尺度协同增韧的统一定义与定量评价体系。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2026.08.021

 文章简介

相关成果以“Toughening strategies for additively manufactured ceramics: A multiscale review of mechanisms and process-structure-property relationships”为题，发表于国际知名期刊《Journal of Materials Science & Technology》（中科院一区Top，JCR Q1，IF=16.8）。博士研究生邰浩云为第一作者，李琦教授、曹培政博士、苏州实验室王峰博士为共同通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金、四川省应用基础研究计划以及中央高校基本科研业务费科等项目的支持。

该综述创新地建立了AM陶瓷多尺度协同增韧的统一定义与定量评价体系，提出协同效率η（η≥1.1为真协同，1.0<η<1.1为线性叠加，η≤1.0为机制拮抗），填补了领域定量标准空白。

在此基础上，剖析了三种协同模式的耦合机制：

• 空间协同（按应力场精准布局机制，η=1.22）
• 时间协同（裂纹扩展中级联激活，η=1.32）
• 功能协同（机制互补破解彼此瓶颈，η≥1.1）

 讨论与总结

图1 增韧机制多尺度金字塔框架

该综述将增材制造陶瓷增韧机制重构为四类基本单元：

（1）纳米级被动增韧（相变/纳米复合），（2）微-介观被动增韧（颗粒/纤维/晶须），（3）介-宏观被动增韧（仿生结构），（4）全尺度主动增韧（自修复）。

系统评估了各单元与VPP、DIW、SLS、粘结剂喷射等主流工艺的兼容性，并指出纳米级和微-介观被动增韧具有中等兼容性，介-宏观被动增韧具有良好的工艺兼容性，而全尺度主动增韧则因高温烧结导致修复剂过早失活而兼容性较低。在此基础上，文章剖析了三种协同增韧模式的耦合机制：空间协同按应力场精准布局增韧机制，时间协同在裂纹扩展过程中级联激活多尺度能量耗散，功能协同通过增韧机制互补破解彼此性能瓶颈。典型案例包括基于螳螂虾双连续结构的VPP仿生复合材料（η=1.22）、冻铸与DIW协同的多级孔陶瓷（η=1.32）及Al₂O₃/SiCw/SiCp复合体系（η=1.28），验证了三种协同模式的性能增益均超过各机制线性叠加之和。同时，综述批判性总结了三大失效模式及其代表性负案例：工艺不兼容导致协同效率仅为0.68，界面失配使η降至0.86，尺度不兼容造成η约为0.88，均表现为性能劣于单机制体系，揭示了工艺缺陷对协同效应的抵消机制。

图2 多尺度协同增韧性能突破（强度-韧性Ashby图）

在成型工艺层面，文章梳理了光固化、挤出成型等主流技术的精度边界与适用体系；在结构设计层面，以仿生构型为切入点阐明了多尺度结构对陶瓷强韧化的关键作用；在增韧机制层面，总结了晶须增强、颗粒复合等策略的强化机理与性能增益，并通过Ashby性能图对各类材料体系进行了系统定位与横向比较。

在工业化层面，该综述指出当前存在的三大研究误区——将线性叠加误判为协同效应、仅关注实验室小样性能而忽视工艺可行性与批次稳定性、仅测试室温静态韧性而忽略实际服役环境下的性能演化——并识别出四大产业化瓶颈：缺乏定量表征与评价标准体系、缺少多尺度预测设计模型、AM工艺与多机制耦合的兼容性不足、批次稳定性与可靠性无法满足安全关键场景要求。针对上述瓶颈，文章提出了2–4年、5–8年、9–12年三阶段技术路线图，明确了从标准化到定向设计再到工业化应用的量化里程碑，涵盖标准规范制定、数据库构建、多物理场模型开发（预测误差≤15%）、协同体系η≥1.3且批次波动≤10%、大尺寸构件（≥500 mm）稳定制备及航空/医疗领域寿命验证等关键节点。

图3 协同增韧三大失效模式与负面案例

图4 领域三大研究误区警示

该综述打破了传统“单一机制试错优化”范式，提出了以工艺兼容性为前提、界面匹配为核心、尺度互补为基础的多尺度协同增韧设计准则，构建了“预测设计—精准制造—定量表征—服役验证”的端到端体系，为高性能增韧陶瓷的工程应用提供了系统性的技术路径与理论支撑。总体而言，增材制造正推动复杂结构陶瓷材料与部件从“经验试错”迈向“结构可设计、性能可预测”的新阶段，该综述为增材制造陶瓷在航空航天、生物医学、国防、能源等关键领域的工程化应用指明了发展路径。

作者简介

来源：环境与可持续发展功能材料实验室

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轻量化与高效吸能结构在航空航天、机器人及汽车等领域具有重要应用价值。超结构通过人工设计微结构，可以在保持低密度的同时获得传统实体材料难以实现的优异力学性能。其中，仿生设计通过借鉴自然界长期演化形成的高效承载结构，为超结构设计提供了重要思路。然而，实际工程中的服役环境往往十分复杂，单一仿生结构通常难以兼顾不同工况下的多重性能需求。因此，如何协同融合多种生物结构的优势特征，发挥不同仿生机制之间的互补作用，成为进一步提升仿生超结构性能的重要思路。

然而，多种仿生特征的协同引入也进一步增加了结构设计的复杂性。不同几何特征之间相互耦合，使结构参数与力学响应之间呈现出高度非线性的关系，其力学性能难以通过传统经验设计进行准确预测。同时，依赖逐一建模、仿真和实验的传统优化方式需要在庞大的参数空间中反复试错，设计效率较低。因此，如何建立结构几何参数与力学性能之间的快速映射，并进一步面向目标性能实现逆向设计，是混合仿生超结构高性能设计亟待解决的另一关键问题。

近日，上海交通大学特种材料研究所提出了一种混合仿生（Hybrid-Bio-Inspired，HBI）超结构设计策略，将植物二歧分枝、龟壳拱形结构和鱼鳞交错排列三种自然结构中的力学特征协同引入点阵超结构，并进一步结合深度学习建立结构几何参数与力学响应之间的映射关系，实现高效的数据驱动逆向设计。

相关研究以“Data-driven design of additively manufactured hybrid bio-inspired metamaterial with ultra-efficient energy absorption”为题发表于《Thin-Walled Structures》（中科院一区，IF：8.3）。第一作者为上海交通大学硕士生李骏翔，王洪泽长聘副教授、吴一副教授、高振洋博士为共同通讯作者，共同作者还包括上海交通大学王浩伟讲席教授以及夏存娟副教授。

论文链接：
10.1016/j.tws.2026.115566

 从单一仿生走向多重仿生协同：师法自然

自然界中的植物枝干、龟壳和鱼鳞虽然承担着不同的生物功能，但其结构均蕴含着独特的力学机制。研究团队首先以具有良好结构稳定性的HCP点阵为基础，引入植物二歧分枝的应力分流特征，构建了DBI（Dichotomous-Branching-Inspired）元胞。然而，DBI中的直杆在压缩载荷作用下容易发生屈曲，并在杆件根部形成明显的应力集中。为了改善这一问题，研究团队进一步借鉴龟壳的拱形承载结构，将部分直杆替换为弯曲杆件，从而构建（Dichotomous-branching-and-Turtle-shell-Inspired）DTI结构。弧形杆件能够在一定程度上重新分配载荷，但多个杆件仍汇聚于中心节点，应力集中问题并未被完全消除。在此基础上，研究团队继续引入鱼鳞交错排列结构，通过旋转上下层弯曲杆件，并将原本集中的中心节点重新分散，形成上下交错的拓扑结构，最终获得混合仿生（Hybrid-Bio-Inspired，HBI）元胞。与简单地将多个生物结构叠加不同，这一设计更强调不同仿生机制之间的协同作用。

图1 混合仿生超结构设计思路：由植物二歧分枝、龟壳拱形结构和鱼鳞交错排列逐步构建DBI、DTI和HBI元胞。

 从局部承载到协同承载：交错拓扑改变载荷传递路径

为什么引入鱼鳞式交错结构后，HBI的吸能性能会显著提高？有限元模拟揭示了其中的关键机制。在传统DBI和DTI结构中，上下支撑杆基本处于规则对齐状态。压缩过程中，相邻节点之间缺少相对位移，因此中间的水平杆几乎不承担载荷，主要载荷集中于纵向支撑杆。这使得支撑杆根部和连接节点容易迅速出现应力集中，并进一步诱发局部屈曲和失效。而HBI结构则完全不同：鱼鳞启发的交错拓扑改变了原有的载荷传递路径。由于上下杆件不再共线，节点之间产生相对运动，使连接水平杆受到弯矩与剪切作用。原本几乎处于闲置状态的水平杆由此参与承载和变形，将局部集中的轴向压缩载荷转化为多个杆件共同承担的弯曲变形。也就是说，HBI并不是简单地让某一根杆更强，而是让更多杆件参与吸收变形能量。这种载荷路径重构使结构中的应力分布更加均匀，降低单根杆件所承担的平均变形能量和局部应力，并最终推迟结构进入致密化阶段。进一步的应变场分析也显示，DBI和DTI支撑杆根部存在明显的大变形区域，而HBI的应变分布更加均匀，能够避免局部杆件过早失效。

图2 规则排列与鱼鳞启发交错排列结构中的载荷传递与变形机制对比。

 从仿生设计走向数据驱动设计：机器学习助力高效优化

尽管混合仿生已经显著改善了吸能性能，但HBI结构仍包含多个可以连续调整的几何参数。传统的“建模—仿真—试错”方式需要针对每一种结构重新计算，难以高效搜索非线性设计空间。为解决这一问题，研究团队进一步建立了数据驱动逆向设计框架。

首先，以HBI元胞的曲杆曲率半径和杆件半径作为主要设计变量，在给定参数空间内生成66种不同几何构型，并通过有限元模拟获得相应的完整力与位移曲线。随后，研究团队构建性能预测网络模型（Performance Prediction Network Model，PPNM），利用几何参数直接预测完整的力与位移响应。模型以两个结构参数作为输入，以力与位移曲线上的300个均匀离散力值作为输出，从而将复杂有限元计算转化为快速的神经网络预测。训练结果表明，PPNM在训练集、验证集和测试集上的平均R2分别达到0.9504、0.9640和0.9482，均高于0.94，可以较准确地捕捉不同几何结构对应的非线性力学响应。

在此基础上，研究团队将训练完成的PPNM作为可微分的力学性能代理模型，冻结网络参数，并直接计算吸能性能指标对输入几何参数的梯度，再通过梯度下降和Adam优化器迭代更新结构参数。与此同时，对几何参数施加边界约束，确保优化得到的结构在几何上有效并具有实际可制造性。这样，传统需要大量有限元计算才能完成的结构搜索过程，就转化为了：几何参数→力学响应预测→性能评价→梯度计算→参数更新的闭环优化过程。

图3 数据驱动HBI超结构逆向设计流程

 从自然启发到智能设计：混合仿生超结构的新路径

为了进一步评价优化后HBI超结构的吸能性能，研究团队将其与BCC、FCC、vintiles和tesseract等典型超结构进行了对比。在相同材料和实验条件下，优化HBI结构在不同相对密度范围内均表现出更高的归一化能量吸收效率，相较于其他典型点阵结构提升约35.96%–167.43%，并在整个测试密度范围内保持最高水平。与此同时，优化HBI超结构在比吸能（SEA）方面同样表现出明显优势，相比现有对比结构提升约14.45%–373.37%。这表明，混合仿生结构不仅能够显著提高能量吸收效率，同时能够在轻量化条件下保持较高的比吸能性能。该工作将多重仿生协同设计、增材制造与数据驱动优化相结合，实现了从自然结构启发、变形机制调控到高性能结构搜索的完整设计路径，为面向航空航天、机器人等复杂服役环境的轻量化、高效吸能超结构提供了新的设计思路。

图4 优化HBI超结构与典型超结构的吸能性能对比。（a）优化HBI、BCC、FCC、vintiles和tesseract样品；（b）归一化能量吸收效率与密度关系；（c）比吸能与密度关系。

致谢

该工作得到了国家自然科学基金（52441503、52305391、52305490）、上海市自然科学基金（25ZR1402248）、安徽省高校协同创新项目（GXXT-2023-029）等项目支持，并得到上海交通大学与宁德时代新能源电池9σ联合研究项目的部分支持。

课题组介绍

上海交通大学材料学院特种材料研究所是金属基复合材料国家重点实验室的重要组成部分，由王浩伟讲席教授任负责人，与国际著名大学和大型企业建立多个联合实验室。研究所主要从事新型特种材料的设计、制备及其成形技术研究，支撑了多项国家重大工程需求，在航空航天和汽车轨交等多领域获得广泛应用。多年来承担重点研发计划、民机预研、民用航天预研、国家自然科学基金及国际合作项目等五十余项。在国内外学术刊物上发表学术研究论文近300篇，获授权中国国家发明专利100余项。先后获得教育部技术发明一等奖、上海市技术发明一等奖及中国有色金属工业技术发明一等奖。

研究所秉承“创新创造、科研报国”的精神，胸怀祖国、服务社会，面向世界科技前沿、面向国家重大需求，砥砺前行、勇攀高峰。团队长期诚聘激光增材制造/激光成形工艺和装备、增材制造材料表征（微观组织、力学性能、疲劳）、增材制造过程同步辐射成像、增材制造超结构等方向博士后。联系人：王洪泽(hz.wang@sjtu.edu.cn)。

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近日，苏州大学谭超林教授团队联合新加坡A*STAR和南洋理工大学周琨教授在Advanced Materials 发表题为“Innovative Additive Manufacturing of Ultrahigh-Strength and Heat-Resistant Aluminum Alloy”的研究论文，苏州大学为论文第一单位和唯一通讯单位。

该研究提出了一种“材料设计+激光工艺协同创新”的新策略，即设计了一种低成本TiC7075铝合金丝材，并结合同轴环形激光定向能量沉积技术，实现了高强AA7075铝合金的无裂纹增材制造，获得了兼具高均匀性的全等轴组织、超高强度和优异耐热性能的低成本铝合金。

论文链接：
http://doi.org/10.1002/adma.74966

 全文速览

针对传统高强AA7075铝合金在激光定向能量沉积过程中热裂纹敏感、组织与性能不均匀以及Sc/Zr合金化成本较高等问题，本研究采用材料-工艺协同创新策略。材料设计方面选择具有较高激光吸收能力和良好异质形核作用的TiC颗粒增强AA7075，并利用TiC在加工过程中部分分解释放Ti元素，形成“TiC颗粒异质形核+Ti溶质生长限制”的双重孕育作用；工艺方面采用同轴送丝环形激光LDED，通过均匀化熔池能量分布、降低温度梯度和冷却速率，有效抑制凝固裂纹并促进柱状晶向等轴晶转变。

在材料与工艺的协同作用下，研究实现了AA7075合金的无裂纹、高致密和全等轴细晶成形，打印件表现出良好的组织与力学性能均匀性。经T73热处理，在合金内部形成η′-MgZn2、θ′-Al2Cu和T′等多类型、多尺度纳米析出相，使材料室温屈服强度达到501-511 MPa、延伸率达到7.3%-8.1%；在250 ℃下仍保持275 MPa屈服强度和13.6%延伸率。研究进一步通过原位TEM揭示了TiC晶界钉扎及热稳定Al2Cu析出相对高温组织稳定性和力学性能的贡献，为低成本、高强、耐热铝合金增材制造提供了新的材料-工艺协同设计思路。

 研究背景

高强Al-Zn-Mg-Cu系铝合金（如AA7075）因具有高比强度和良好的综合性能，被广泛应用于航空航天、轻量化结构等领域。然而，由于其凝固温度区间宽、热裂纹敏感性高，在激光增材制造过程中容易产生裂纹、粗大柱状晶以及明显的力学性能各向异性，严重限制了其工程应用。目前，Sc/Zr微合金化被认为是改善高强铝合金增材制造性能的重要方法，但昂贵的合金元素显著增加了制造成本。同时，传统激光定向能量沉积过程中较大的热梯度也难以避免柱状晶生长和凝固裂纹形成。因此，如何通过低成本材料设计与先进激光热场调控，实现高强铝合金的稳定打印、高均匀组织和优异综合性能，是金属增材制造领域亟需解决的关键问题。

本文亮点

1. 材料-工艺协同创新：针对传统Sc/Zr微合金化成本较高及LDED高强铝合金晶粒细化效果受限的问题，选择兼具高激光吸收率和异质形核能力的TiC颗粒增强AA7075合金，并结合同轴送丝环形激光定向能量沉积技术，实现高强铝合金可打印性、性能与成本的协同优化。

2. 环形激光热场调控：利用环形光束均匀化熔池能量分布，显著降低温度梯度与冷却速率，有效抑制热裂纹并拓宽工艺窗口，获得相对密度超过99.5%的无裂纹构件。

3. 全等轴细晶组织：TiC颗粒异质形核、Ti溶质生长限制与晶界钉扎效应协同促进柱状晶向等轴晶转变，形成平均尺寸约5 μm的均匀细晶组织，显著降低增材制造构件的组织与力学性能各向异性。

4. 室温-高温强塑性协同提升：T73热处理后合金室温屈服强度达到501-511 MPa、延伸率达到7.3%-8.1%；在250 ℃下仍保持275 MPa屈服强度和13.6%延伸率，实现超高强度、良好塑性与优异耐热性能的协同提升。

 图文解析

针对传统高强AA7075铝合金在LDED过程中易产生凝固裂纹、柱状晶组织和力学性能各向异性等问题，本研究基于TiC/Ti双重孕育低成本合金设计策略，结合同轴送丝环形LDED技术，实现了高强铝合金的低成本、无裂纹增材制造。研究围绕“材料设计—热场调控—组织细化—析出强化—性能提升”全过程，系统揭示了环形激光与TiC颗粒协同调控熔池凝固行为、全等轴晶形成及多尺度析出强化的作用机制，实现了材料可打印性、组织均匀性与室温—高温力学性能的协同提升。

首先，研究团队从激光能量分布与熔池热场调控入手解决AA7075易产生热裂纹和柱状晶的问题。传统高斯激光束能量主要集中于光斑中心，容易在熔池内部形成较大的温度梯度和较高冷却速率，不仅增加7075铝合金的热裂纹敏感性，也会促进柱状晶沿热流方向外延生长。针对这一问题，本研究引入同轴送丝环形激光LDED技术，通过改变激光能量空间分布调控熔池热场。模拟结果表明，环形光束可降低熔池峰值温度、温度梯度以及冷却速率。更加平缓的热场有利于增强成分过冷、抑制柱状晶生长，并降低凝固裂纹形成倾向，为后续全等轴细晶组织的形成以及TiC7075合金稳定成形提供有利条件。

图1. 同轴送丝环形激光定向能沉积(LDED)TiC7075铝合金。(a) 同轴送丝LDED系统及环形激光沉积过程示意图；(b) 环形激光熔池温度分布；(c) 传统高斯激光束导致熔池中心高温集中及较大温度梯度，促进柱状晶形成；(d) 环形激光束优化能量分布，降低熔池温度梯度，促进等轴晶形成。

在材料设计方面，本研究并未采用传统高成本Sc/Zr合金化路线，而是选择TiC作为AA7075的功能增强相。其设计依据主要体现在两个方面：一方面，TiC具有较高的激光吸收能力，可改善铝合金对激光能量吸收不足的问题并提高熔池稳定性；另一方面，TiC可作为α-Al异质形核核心，同时在丝材制备和激光加工过程中部分分解释放Ti元素。Ti具有较强的生长限制作用，因此可与剩余TiC颗粒形成“异质形核+溶质生长限制”的双重孕育机制。研究通过中间母合金法实现纳米及亚微米TiC颗粒的均匀分散，并最终获得高致密TiC7075沉积块体。

图2. TiC7075铝合金的设计、丝材制备及环形光束LDED沉积。(a) 铝合金中不同元素的生长限制因子及不同陶瓷的激光吸收率；(b) 采用中间母合金法制备丝材的工艺示意图，以实现纳米TiC陶瓷颗粒的良好分散；(c) 丝材的低倍TEM图像，显示7075 Al基体中的纳米级和亚微米级TiC颗粒；(d) 丝材的高倍TEM图像，显示由TiC分解产生的纳米Ti颗粒；(e) 沉积的垂直块体照片；(f) 由micro-CT构建的缺陷三维分布，显示相对密度高于99.9%。

经过T73热处理后，TiC7075室温屈服强度达到501–511 MPa、延伸率达到7.3%–8.1%。与多种LDED铝合金相比，该合金在强度-塑性匹配方面表现突出，同时保持较低的原材料成本。更值得注意的是，在250 ℃下其屈服强度仍达到275MPa，延伸率达到13.6%，体现出优异的高温耐热能力。

图3. 同轴送丝LDED工艺制备TiC7075的性能与成本。(a) 不同状态下LDED制备TiC7075合金的拉伸应力–应变曲线及T73样品的DIC图像；(b) 本研究实现的TiC7075合金力学性能与多种LDED制备铝合金的对比；(c) 本研究中强度与原材料成本的对比关系，并与多种LDED制备铝合金进行比较；(d) 本工作实现的TiC7075铝合金250°C高温力学性能与增材制造铝合金的对比。

TiC7075的晶粒形貌及构件不同高度区域组织与性能如图4所示。熔池内部和熔池边界均形成了完全等轴晶组织，不同于传统LDED铝合金中常见的柱状晶或柱状—等轴混合组织。构件顶部、中部和底部平均晶粒尺寸接近，对应区域的拉伸性能也较为接近，说明该方法实现了沿构建方向良好的组织与性能均匀性。

图4. 环形光束LDED制备TiC7075合金的微观组织与力学性能均匀性分析。(a, b) TiC7075合金的金相组织，显示熔池内部及边界均形成等轴晶；(c) 三维EBSD重构晶粒形貌；(d) TiC颗粒在晶界区域分布；(e) 不同增材制造铝合金晶粒形貌对比；(f) 打印高度方向不同区域取样示意图；(g) 不同高度区域拉伸性能；(h) 不同区域晶粒尺寸分布。

研究进一步利用TEM分析T73热处理后TiC7075中的析出强化行为。结果表明，合金中形成了从数纳米到百纳米尺度的多类型析出相：晶界处存在较大尺寸的MgZn2析出物，晶内则分布有高密度的η′-MgZn2、θ′-Al2Cu以及T′-Mg32(Al,Zn)49等纳米析出相。其中，部分Al2Cu析出相与Al基体形成共格界面，有利于提高析出强化效率和热稳定性。

图5. T73热处理态TiC7075样品的TEM分析。(a) T73热处理后TiC7075合金TEM暗场像；(b) MgZn2析出相元素分布；(c) Al2Cu团簇结构；(d, e) Al2Cu及复合析出相元素分析；(f, g) η′-MgZn2、θ′-Al2Cu和T′-Mg32(Al, Zn) 49析出相高分辨TEM分析；(h) Al2Cu与Al基体界面结构。

为进一步确认纳米析出相的化学组成及空间分布，研究采用原子探针层析技术（APT）进行了原子尺度分析。三维原子重构显示，Cu、Zn和Mg元素在纳米尺度发生明显富集，成分分析进一步证实了MgZn2和Al2Cu等析出结构的共存，并识别出η′和T′相关富集区域。APT结果与TEM观察相互印证，形成了多种纳米析出相协同作用的强化网络，为其优异的室温强度和高温稳定性提供了进一步的微观证据。

图6. T73热处理TiC7075样品中析出相的APT表征分析。(a) Al、Cu和Zn原子分布的三维重构；(b) 显示析出相成分的邻近直方图；(c) 在10 at% Mg + 2 at% Cu处绘制的等浓度面；(d) 沿直线1和2穿过基体与析出相的一维成分分布曲线。

在激光沉积过程中，环形光束首先降低熔池温度梯度并增强成分过冷，从热场条件上抑制柱状晶外延生长；与此同时，TiC颗粒既可作为异质形核核心，又可在晶界产生Zener钉扎作用，而TiC部分分解释放的Ti元素进一步通过生长限制效应促进晶粒细化。后续T73热处理则在晶内形成高密度η′-MgZn2、θ′-Al2Cu和T′等多类型、多尺度析出相，最终形成“热场调控—双重孕育—细晶形成—多尺度析出强化”的协同组织调控机制。

图7. TiC诱导形核与多尺度析出协同强化机制示意图。(a) 环形激光与TiC颗粒相互作用下的微观组织凝固行为；(b) T73热处理后多类型、多尺度纳米析出相。

为揭示TiC7075在250 ℃下仍保持较高强度的原因，研究采用原位TEM分析其高温组织演化。结果表明，在250℃保温1h后，合金晶粒尺寸基本保持稳定，说明分布于晶界的TiC颗粒能够通过Zener钉扎有效抑制晶界迁移和晶粒粗化。虽然主要MgZn2强化相在高温下出现明显粗化，但Al2Cu析出相在热暴露表现出更优异的热稳定性。因此，TiC颗粒稳定细晶组织、过饱和固溶体以及耐热Al2Cu纳米析出相的协同作用，导致了TiC7075优异的高温力学性能。

图8. T73热处理态TiC7075样品在约25°C室温和250°C高温下的原位TEM微观组织演变观察。(a–c) 晶粒形貌演变，(d–f) 析出相演变观察（箭头所指为MgZn2），(g–i) 析出相演变的高倍观察（箭头所指为Al2Cu）（注：图g与图h, i并非同一位置）。

转载来源：材料科学与工程

作者简介

谭超林现任苏州大学教授(三级)，是江苏省特聘教授、国家海外优青、苏州创新创业领军人才、西交利物浦大学客座教授、机械工程学会增材制造分会委员、英国伯明翰大学荣誉研究员、国际先进材料协会会士(FIAAM)。华南理工大学与英国伯明翰大学联合培养博士，曾任新加坡科技局(ASTAR)制造技术研究院(SIMTech)资深科学家(Senior Scientist)、首席研究员和博导(2020-2025)。长期从事金属增材制造基础和应用研究。连续入选2022-2025全球前2%科学家榜单。主持中国和新加坡国家级项目7项；指导博后/博士生10余名。以第一作者和通讯作者在Adv. Mater.、Nat. Commun.、Mater. Today、Int. J. Mach. Tools Manuf. (IF24, 6篇)、Int. J. Extreme Manuf. (IF25, 6篇)、Adv. Powder Mater. (IF26.8)、Adv. Sci.等期刊发表SCI论文50余篇 (包含影响因子大于24的15篇，ESI热点和高被引11篇)。出版增材制造署名专著3部。Google Scholar被引近8000次，H因子48。担任Int. J. Mach. Tools Manuf. (IF 24)、Int. J. Extreme Manuf.(IF25)、J. Mater. Inform. (IF8)、Materials、MSAM等SCI期刊编委(Editorial Board)；中科院一区期刊JMST(IF16.8)、Rare Metals (IF 12)、MRL等期刊客座编辑/青年编辑。所主导成果获评新加坡科技研究局2023年度物理与工程领域七大重大科技进展之一 (排1)；获IJEM期刊(IF25)突出贡献奖、APM期刊(IF26.8)新兴科学家题名奖(全球15人)、2025年Wiley中国高贡献作者奖等荣誉。研究活动被中国中央政府网、人民网、新华社等媒体报道。

研究兴趣包括机器学习辅助开发增材制造专用金属新材料，多场耦合作用下的金属增材制造设备和成型过程机理研究，激光增材制造多尺度异质结构材料，基于新型能量源的增材制造新技术，等。谭超林团队每年招收博士生3-4名，硕士生4-5名，欢迎报考，也欢迎博士后加入团队；联系方式cltan@suda.edu.cn。

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铝基材料增材制造作为轻量化高端制造的核心关键技术，正驱动航空航天、新能源汽车、AI热管理等战略产业从“传统减重”向“结构-功能一体化精准智造”跨越升级。当前，轻量化与智能化成为先进制造核心命题。我国持续推动高端装备轻量化与新型工业化深度融合，以新材料、新工艺赋能新质生产力。

近期，香港城市大学宏桥轻金属研究院吕坚院士团队联合中国航空制造技术研究院、北科大、南科大等多家单位，在SCI期刊《极端制造（英文）》期刊上发表了题为“Design innovations and high-value-added industrial deployments of additively manufactured advanced aluminum-based materials”的系统性综述，以“材料设计创新—高端场景落地—未来产业展望”为主线，系统梳理了增材制造铝基合金与铝基复合材料（AMCs）的设计策略、调控机理与高附加值工业应用，全面分析了航空、航天、汽车、热管理四大领域的规模化落地案例，为我国高端轻量化制造技术推广与产业升级提供理论指引与实践范式。

论文链接：
https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae703c

作者
李干，白翔仁，王硕，游小娇，李莹，贺喜，谢冰宇，黄禹赫，冯广辉，闫星辰，卢冰文，曾元松，李志强，朱强，吕坚*

机构
香港城市大学、南方科技大学、北京科技大学、广东省科学院、中国航空制造技术研究院

 铝基材料及其增材制造的新机遇

铝凭借其独特的物理化学性质，成为现代工业中的基础金属材料。其面心立方晶体结构、低密度（约2.7 g·cm⁻³，仅为钢的三分之一）、优异的导热性以及良好的延展性和成形性，使其在轻量化、热管理和复杂结构加工方面具有显著优势。同时，铝表面能自发形成致密的氧化铝钝化层，赋予其出色的耐大气腐蚀能力。尤为重要的是，铝在地壳中储量丰富且可实现完全回收，迄今生产的150亿吨铝中仍有近75%处于使用状态。

铝基材料主要包括铝合金和铝基复合材料。其中，铸造铝合金因凝固温度范围窄、打印性好，适合增材制造；而高强度的变形铝合金（如2xxx和7xxx系）在增材制造中易产生热裂纹。增材制造技术为铝基材料开辟了新的应用范式：它不仅能制造拓扑优化和内部流道等复杂轻量化结构，其快速凝固特性还可抑制缺陷、开发新型高性能材料，并为铝基复合材料的原位增强或增强相可控分布提供了创新路径。

图1 铝基材料的分类与性能。

 高性能增材制造铝合金的设计与开发

当前，高性能增材制造铝合金主要分为三大类：

一是通过工艺控制的共晶/近共晶Al-Si系合金；二是通过成分改性的变形铝合金；三是专为增材制造设计的新型铝合金。

对于Al-Si系合金，通过优化粉末特性、激光模式（连续波优于脉冲波）及扫描策略，可显著提升致密度与力学性能。对于高强度的2xxx和7xxx系变形铝合金，添加Ti、Zr、Sc、Nb、Ta等形核剂可诱导等轴晶转变，消除热裂纹。例如，Ti纳米颗粒改性后，2024铝合金的抗拉强度从不足20MPa提升至430MPa，延伸率达10%；Sc/Zr系合金经热处理后屈服强度可达500-650MPa级别。通过预合金化原位形成形核剂，可避免外加纳米颗粒导致的流动性下降和元素烧损问题。此外，专为增材制造设计的准晶与非晶相强化合金展现出优异的高温性能，如Al-Fe-Cr-Ti合金在400°C下屈服强度仍达180MPa，而含非晶复合区的Al-Fe-V-Si合金室温抗拉强度高达865MPa。这些策略共同推动了高性能铝合金在增材制造中的快速发展。

图2 通过成形工艺调控提高增材制造 AlSi10Mg合金的力学性能。

 增材制造中的铝基复合材料策略

利用复合策略，在增材制造中将增强相引入铝合金体系，不但能够发挥其本征强化作用，还能够从多方面提升铝合金的可打印性。

在缺陷控制方面，纳米颗粒可提高粉末激光吸收率、稳定熔池流动，并作为异质形核位点促进等轴晶形成，从而抑制匙孔孔洞、凝固裂纹和织构各向异性。

在制备策略方面，文章梳理了外加增强、复合粉末和原位反应三类路径，展现了强化相从“加入”到“内嵌”再到“原位生成”的发展趋势。在微结构调控方面，纳米颗粒的尺寸、分布和界面结合可协同影响晶粒细化、析出行为、位错累积与载荷传递。由此，增材制造铝基复合材料为高端轻量化构件提供了新的材料方案。

图3 增材制造铝基复合材料的微观组织特征。

 增材制造铝基材料在高附加值工业应用中的四大场景

在高附加值工业应用方面，增材制造铝基材料已在航空、航天、汽车及热管理四大关键场景实现规模化落地：航空领域为空客 A320、A350等机型制造拓扑优化的舱内结构与线缆支架，实现部件集成、减重约 30% 并显著缩短研制周期；航天领域成功制造火箭发动机喷管、卫星天线支架、10米级重型运载火箭连接环、推进剂贮箱等大型与高精度构件，以一体化成形大幅减少零件数量、降低装配复杂度与生产成本；汽车领域被保时捷、宝马、奔驰、布加迪及比亚迪等品牌用于高性能发动机活塞、悬架臂、车顶支架、电机支架与整车高端结构件，实现轻量化、高效散热与车身刚度的同步提升，支撑超跑与高端新能源车型突破性能极限；热管理领域则依托复杂微流道一体化成形优势，广泛应用于高端电子散热、动力电池冷却系统及高效换热器，在紧凑空间内实现换热效率大幅提升，全面满足现代装备对结构 – 功能一体化的严苛需求。

图4 飞机用铝合金的比例及带典型增材制造铝基零部件。

 总结与展望

本综述系统阐明增材制造先进铝基材料的设计原理、调控机制、工艺窗口与工业落地全景，建立“工艺-组织-性能-应用”全链条认知体系。通过材料设计创新与复合材料策略，从根源解决铝合金增材制造热裂、气孔、各向异性等核心瓶颈，实现从普通结构件到高端装备关键承力件、功能件的跨越。在智能制造与“双碳”战略背景下，铝基增材制造将深度融合轻量化、智能化、绿色化，持续赋能航空航天、新能源汽车、高端电子等战略产业，成为高端制造高质量发展的关键支撑技术，开启轻量化智能制造全新图景。

图5 增材制造高性能铝基材料设计与潜在应用场景。

论文引用

Li G et al. 2026. Design innovations and high-value-added industrial deployments of additively manufactured advanced aluminum-based materials. Int. J. Extrem. Manuf. 8 052006.https://doi.org/10.1088/2631-7990/ae703c

研究团队简介

吕坚，法国国家技术科学院院士，美国国家发明家科学院（NAI）院士，香港工程院院士，香港发明创新总会会长，香港城市大学机械系讲席教授，先进结构材料研究中心主任。香港材料研究会（HK-MRS）理事长，香港力学学会前理事长，广东省大湾区激光与增材制造产业技术创新联盟副理事长，世界新能源汽车大会科技委员会委员。研究涉及先进纳米材料制备与力学性能，3D/4D打印，结构与功能材料预应力工程。在Nature（封面文章），Science, Nature Materials, Nature Chemistry, Nature Water, Nature Communications, Science Advances, PNAS, Advanced Materials, Materials Today, PRL, JACS等杂志上发表论文650余篇，引用5万8千余次，H-Index=108，2025年“科睿唯安“全球高被引科学家, 91项欧、美（53项）、中发明专利获授权。北京科技大学，东北大学，西安交大等大学名誉教授, 上海交大，西北工业大学，西南交通大学顾问教授。2006年与2017年分别获法国总统任命获国家荣誉骑士勋章及国家荣誉军团骑士勋章，2013年和2018年分别在中国力学大会与中国材料大会上做大会报告。2018年获中国工程院光华工程科技奖。

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5G毫米波频段（以及未来的毫米波通信系统）对射频前端提出了两项几乎矛盾的要求：一方面，天线需要宽带——以覆盖更宽的可用频谱、提升信道容量；另一方面，系统需要强选择性——在拥挤的频谱环境中把带外干扰压下去，保证接收质量。

传统方案中，滤波器与天线是分立器件，级联使用。这带来插入损耗、占用体积和接口失配等一系列问题。因此，滤波天线（filtenna）以及更进一步的滤波超表面（filtering metasurface, FM）成为学术界和工业界的共同方向：让辐射结构本身具备频率选择性，把滤波和辐射两个功能在同一口径内协同实现。

与此同时，毫米波器件尺寸小、结构复杂，传统机加工与 PCB 工艺在多层三维结构上逐渐遇到瓶颈。增材制造（3D 打印）凭借逐层成形的能力，可以在一次成形中实现包含悬浮结构、螺旋结构在内的复杂电磁构型，成为毫米波无源器件的重要制备路线。

IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques期刊中发表的Additively Manufactured Filtering Metasurface With Excellent Out-of-Band Suppression 论文中，研究团队所开展的工作正是这两条技术线索的交汇点。他们开发了一种增材制造的、兼具滤波与圆极化功能的宽带透射超表面。

DOI: 10.1109/TMTT.2025.3629837

论文提出的器件是一款工作在30 GHz（5G 毫米波频段）的圆极化（CP）宽带滤波透射超表面（TM）。其整体由三部分构成：

1. 顶层：滤波超表面（FM）——承担频率选择与辐射功能；
2. 底层：极化转换超表面（PCM）——承担极化转换功能；
3. 馈源：平面滤波馈源（planar filtering feed）。

这一”双层超表面 + 平面馈源”的三明治式架构，把”滤波”与”圆极化”两个功能在垂直维度上分工：顶层 FM 决定哪些频率能够通过并辐射，底层 PCM 将透射波转换为圆极化波。

 创新点

该增材制造双层超表面由上层滤波超表面（FM）与下层极化转换超表面（PCM）构成。上层滤波超表面采用贴片‑螺旋条带的 FA‑A 架构，借助磁电偶极子天线实现高通滤波特性；通过一对差分馈电 L 型探针、一对悬空 π 形金属条，分别在低频、高频处产生传输零点。设计利用差分馈电倒 C 形（DFIC）单元固有的高通滤波特性，实现差分反相对消效果

 性能

• 该超表面3‑dB增益带宽为 31%，轴比带宽为48%，滤波选择度约1.35
• 下阻带抑制度为‑46.3 dB，上阻带抑制度为‑44.4 dB
• 口径效率为31%。

 应用方向与意义

该器件面向无线5G及未来毫米波通信系统。

其意义在于，在毫米波频段，将滤波与圆极化功能前置到口径层完成，有助于简化射频前端链路、压缩带外干扰，对密集频谱环境下的毫米波通信具有参考价值。

同时，该工作也是增材制造技术在微波/毫米波无源器件领域的一个示范案例。增材制造在此并非单纯的替代工艺，而是支撑了悬浮结构等关键电磁设计特征得以物理实现的工艺基础。

来源：IEEE 微波理论与技术协会

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提升铝合金在高温下的强度是半个多世纪以来长期追求的目标。特别是近年来，轻量化设计策略和先进能源应用的发展，要求铝合金能够在300°C以上服役。

长期以来，开发能够在超过0.8 T_m（T_m：绝对熔点）温度下服役的耐热铝合金，一直是人们追求的目标，其性能可媲美著名的镍基高温合金。

为实现如此超高的耐热性，其微观结构设计需含有体积分数通常达数十个百分点、且热稳定的纳米析出相，这远远超出了传统凝固加工铝合金中常规强化纳米析出相的能力范围。

近日，西安交通大学金属材料强度全国重点实验室耐热铝合金团队联合上海交通大学、法国格勒诺布尔大学合作攻关，采用一种耦合的原位相变方法，通过增材制造制备方法在500°C级耐热铝合金研究中取得重要进展。

这种增材制造介导的溶质相互作用和复杂析出行为，有望在轻合金中实现0.8 T_m级别的大体积分数纳米析出相的稳定化开辟道路，并易于适应大规模工业化生产。

 成果速览

研究团队提出“热稳定双相互锁稳定化”的设计新策略，即让两种耐热纳米颗粒在三维空间范围内成对生长、彼此“锁定”，实现了1+1>2的高温组织稳定化效果。
研究团队利用增材制造中非平衡凝固的溶质截留效应，通过添加微量Sc、Zr元素，在原胞状结构周围形成致密Al-V-Sc-Zr纳米非晶结构（图1）；再经400℃短时热处理后，胞状结构与其周围的非晶结构间发生由V原子扩散主导的耦合原位相变（图2）：V原子跨界面扩散进入胞状结构的Al12Fe3Si相，将其转变为结构更稳定的Al12(Fe, V)3Si相，非晶结构则同步转化为热稳定Al3(Sc, Zr)纳米颗粒。两相紧密结合、成对分布，形成复合纳米析出相，总体积分数达约37.7vol%，平均尺寸仅56nm，析出相含量与细化程度均远超传统工艺制备的耐热铝合金（图3）。

图1 a，背散射扫描电子显微镜（SEM）图像：展示了低倍下的微观结构，其中BD表示构建方向，白色虚线勾勒出熔池边界。b-f, 高角差场透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像：展示了熔池中心（MPC）与熔池边界（MPB）之间的界面（b），以及MPC内的微观结构特征（c）。典型的HAADF图像分别显示了Al12Fe3Si相（d）及其原子分辨率图像和快速傅里叶变换（FFT）图谱（e），以及（Al,V,Sc,Zr）非晶相（f）。

图2 a-d, HADDF-STEM图像：显示体积分数极高的Al12(Fe,V)3Si/Al3(Sc,Zr)复合纳米沉淀（a），以及显示复合纳米沉淀物细节的透射电子显微镜（TEM）图像（b），其中分别给出了Al12(Fe,V)3Si（c）和Al3(Sc,Zr)（d）的原子分辨率图像及快速傅里叶变换（FFT）图谱。e，典型APT图像：显示了纳米沉淀物内的元素分布。f，相变示意图：展示了热处理过程中原位相变所导致的微观结构演变。

图3 a，示意图展示了钒（V）向Al12Fe3Si中扩散，从而引发Al12Fe3Si向Al12(Fe,V)3Si的原位相变，以及钒（V）向外扩散，促使非晶相原位结晶为Al3(Sc,Zr)纳米颗粒。b，Al12(Fe,V)3Si和Al12Fe3Si相原子形成能DFT模拟结果及其对比。c，Al基体中过饱和V原子浓度与平衡浓度之间化学势差的DFT模拟结果。d、增材制造Al-Fe-V-Si-Sc-Zr合金中纳米沉淀相体积百分数和尺寸与其他耐热铝合金中沉淀相的对比。

 研究意义

研究进一步揭示，这种两相共生结构形成了独特的“生长相互约束”效应：两种纳米相颗粒界面相互钉扎，从动力学层面抑制了析出相的高温粗化。这种基于动力学约束的稳定化机制区别于传统界面溶质偏聚、晶格键能强化等热力学主导的稳定化思路，赋予复合析出相前所未有的抗粗化能力。
超常的微观组织热稳定性带来了突破性的高温力学性能（图4），该合金在400℃下抗拉强度高达230MPa、500℃下仍保持约120MPa的高强度，显著超越现有铸造与增材制造铝合金的高温强度水平。在400℃与500℃下抵抗长时缓慢变形的能力（稳态蠕变速率）与现有耐热铝合金相比均高出2-3个数量级，其500℃时抗蠕变性能甚至优于多数传统耐热铝合金在400℃下的表现。
该研究首次将可近净成形（打印即接近零件最终形状、几乎无需再加工）增材制造铝合金的服役温度提升至500℃量级，打破了“耐热高强铝合金无法突破500℃服役极限”的传统认知，为轻合金高温组织设计提供了“动力学约束稳定化”的新范式，有望在航空航天高温结构件、新能源装备换热部件等领域实现大幅减重与能效提升。

图4 a，Al合金中析出物的粗化速率常数（κ）与温度的关系。b，Al12(Fe,V)3Si/Al3(Sc,Zr)复合纳米析出物在500°C下随暴露时间增加的r3值变化，并与Al12(Fe,V)3Si及Al3(Sc,Zr）纳米析出物进行对比。c，Al-Fe-V-Si-Sc-Zr和Al-Fe-V-Si合金在400 °C和500 °C下进行拉伸试验所得的工程应力-应变曲线。d，本研究中Al-Fe-V-Si-Sc-Zr合金（红色星号）分别在400 °C和500 °C下的抗拉强度及其与他人报道铝合金的对比。E，f，在400 °C（e） 500 °C（f）温度下，该合金稳态蠕变速率随蠕变应力的变化及其与他人报道铝合金的对比。

论文信息

相关研究结果以“增材制造实现500°C级耐热铝合金（500°C-resistant Al alloys achieved by additive manufacturing）”为题发表在《今日材料》（Materials Today 99（2026）103453）上。

西安交通大学博士生王之路、上海交通大学闫哲助理教授为论文共同第一作者，西安交通大学薛嗣创教授、刘刚教授、孙军院士以及法国格勒诺布尔大学Alexis Deschamps教授为论文共同通讯作者。论文合作者还包括西安交通大学博士生王文委教和黄裳，以及上海交通大学龚鸣宇教授。

研究工作得到了国家自然科学基金、陕西省新材料实验室开放基金、“111”计划等项目的资助，相关表征实验得到了上海同步辐射光源、西安交通大学仪器分析中心等平台的支持。

转载来源：材料设计

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