超高速DLP弹性体3D打印机

零犀智造MAT-DLS380采用HSCP高速3D打印技术，具有超高打印速度及精度。配合全自研的双组分弹性材料及高性能塑性材料，轻松实现终端产品的生产。打造一个idea-to-production的创新平台，标志着3D打印技术从产品打样到终端零件小批量生产的一个新里程碑。

潮牌鞋履想要更夸张的镂空结构、更复杂的曲面纹理，新型家居渴望“一人一形”的人体工学适配，弹性体防护需要高度定制化的缓冲结构……但当这些需求撞上传统模具制造，开一套模具就要半个月到一个月，品牌方的迭代速度如何跟得上？设计师天马行空的创意，谁来帮他们落地？

作为2026 TCT亚洲展期间的重要环节，3D科学谷与TCT亚洲展共同对参展企业展示的全球首发新品进行了系列采访。

本期我们带来的是零犀智造的采访, 在总经理徐力峥对公司全球首发新品的介绍中回应了以上话题。

请介绍一款公司在本届TCT亚洲展进行首发的新品。
研发这款设备是看到了市场中的什么挑战？
公司是如何用技术来回应这些挑战的？

徐立峥：零犀智造带来的首发产品是一款DLP高速3D打印机——MAT-DLS380，主要应用在鞋子、坐垫、靠枕等弹性体3D打印领域，打印速度非常快。

它的成型尺寸为384×240毫米，比一般的DLP设备要大一点。因为我们用的是最新的0.8英寸DLP光机芯片，目前算是市面上比较前沿的技术。打印速度非常快，实测一个半小时到两个小时能打印一双鞋。大的鞋子一次可以排两双，小的可以排三到四双。如果打鞋中底等部件，最高日产能可以达到80到120双。

这款设备设计的初衷是面向黑灯工厂和无人化智能工厂。所以设备中集成了摄像头、电动门，后期如果需要配机械臂，可以换成电磁离合的；目前的手动版用的是快压方式，工人操作起来很方便。设备还集成了自动上料装置，后期面向黑灯工厂用户，实现自动上料、机械臂自动取件形成闭环，就能实现很好的无人工厂模式。我们为设备软件UI 设计了友好的人机交互界面。

设备中还集成了大量传感器，比如温度传感器、气压传感器、重力传感器。温度传感器用于内部恒温，打印高粘度的双组份材料时，恒温状态可以提高打印稳定性。重力传感器可以称出料槽里材料的重量，打印过程中材料不够时，自动供料系统会实时动态补给。后期配合机械臂，就可以实现24小时不间断的稳定生产。

另外，这台设备和AI已经做到了深度融合。设备内置了IMS智能制造系统，可以批量控制设备，从订单到生产到设备批量控制，还嵌入了大模型，用Agent的方式实现自然语言与机器的交互。

最近这几年，随着材料科学的不断突破，尤其是双组份弹性体材料的突破，该材料的3D打印应用迎来了爆发期。它的应用从原型制造跨越到了批量生产环节。而且像鞋子、坐垫、靠枕等C端应用，市场潜力非常大。所以零犀智造针对这个不断增长的应用市场，研发了这款3D打印设备。

当用户用上这款设备，他们能做哪些以前做不了的事？
这让他们在竞争中拿到什么样的“新筹码”？

徐立峥：以鞋制造为例。传统鞋子生产依赖模具，开一套模具至少半个月到一个月，迭代速度跟不上市场变化。而3D打印技术可以解决一个高效的“小单快返”模式。比如客户有一个好需求，上午设计建模，下午就能开始打印，测试没问题的话，转天就能批量生产。整个周期从一个月缩短到一两天，能极大促进产品创新和发展。

我们的目标是助力应用端实现“千店千品”，每个人的鞋子可能都不一样，市场会迎来新一轮爆发。所以很多鞋厂、上游工厂也在谋求转型。传统鞋子比较内卷，用3D打印可以设计出很酷炫、很复杂甚至天马行空的造型，让设计师放开想象力，创造无限可能。

TCT亚洲展一直是全球首发创新的风向标。从您今年的观察来看，什么“苗头”最可能成为未来一年的主流应用方向？
选择在TCT亚洲展首发新产品，希望借此传递什么信号？

徐立峥：我觉得有两个比较火的两个方向：

一个是面向C端产品制造的3D打印技术，例如双组份弹性体3D打印技术，还有拓竹这样的桌面级3D打印技术。

另一个是AI技术与增材制造技术的融合，我们看到金属3D打印厂商制造了用AI设计的火箭发动机。我觉得AI与3D打印技术同时爆发，将带来1+1大于2的效果，甚至是能创造无限可能。比如鞋子的设计，我觉得不出两三年，AI就能取代设计师，独立开发出很酷炫的鞋子，再结合3D打印这样的制造技术，会为消费者带来不一样的体验。

本次展会我们希望向市场传递的信号首先是零犀智造是一家设备厂商。同时，我们在产品开发上是两条路线：一条是3D打印设备，另一条是深入做AI研发。我们要做的是AI和3D打印的融合，创造更无限的可能。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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2025年全球电力推进卫星市场估值503亿美元，预计到2035年将增至1797亿美元……

卫星市场起来了，电推进技术就不再是航天领域的小众技术，而是指向千亿美元的大市场。

3D科学谷获悉，国际商业航天企业Rocket Lab（火箭实验室）近日发布了名为Gauss的霍尔电推进系统，并宣布已建成年产能超200台的生产线。CEO彼得·贝克直言：“大规模星座已是常态，但推进系统长期无法可靠地规模化供应——这是整个行业的瓶颈。”

电推进系统，简单说就是用电能把氙气、氪气这类推进剂电离成等离子体，再通过电场或磁场加速喷出产生推力。NASA的数据显示，电力推进可以省掉高达90%的推进剂质量，卫星更轻，发射成本也更低。业界常把电推进系统比作卫星的“心脏”。

国际权威市场研究机构Global Market Insights的报告指出，2025年全球电力推进卫星市场估值503亿美元，预计到2035年将增至1797亿美元，年复合增长率14%。报告还指出，增长动力来自市场对更高效、更具成本效益的卫星长期燃料方案的需求。

再看国内。政策支持加上技术突破，我国低轨卫星星座建设已经进入快车道。据3D科学谷的市场观察，我国向国际电联申请的低轨卫星数量已达5.13万颗。

“3D科学谷白皮书解析

卫星市场起来了，电推进技术就不再是航天领域的小众技术，而是指向千亿美元的大市场。

3D科学谷注意到，Rocket Lab在官方新闻中谈到其霍尔电推进器的制造能力时，特殊项目首席工程师强调了他们在火箭发动机上积累的3D打印批量生产经验。虽然官方没有明说电推进器的量产能力与3D打印技术相关，但这透露出用于火箭发动机制造的3D打印技术，与电推进器的规模化制造之间，存在着可迁移的关联。

如今在航天制造领域，“3D打印是否有价值”早已是行业共识，大家更关心的是具体用在哪些部件、实现什么效益。电推进系统制造方面已有公开案例：我国五院510所的EP-1A型霍尔电推进产品，其贮供单元采用3D打印一体化设计后，体积缩小70%、重量减轻35%；电源处理单元制造周期缩短了60%。

挑战仍在，深度技术突破亟待关注

电推进要批量生产、广泛应用，依然面临不少难题。比如氙气工质每千克数万元，价格波动剧烈、成本高，制造效率与一致性难以保证，氩气这样的新型工质电离效率偏低等。其中，工质替代是降低星座运营成本的关键路径。SpaceX星链2.0已经大规模应用氩工质霍尔电推进，而国内在这一领域的研究尚处于追赶阶段。

本期谷·专栏将分享《中国航天》期刊刊登的《氩工质霍尔电推进技术研究综述》一文。文章系统梳理了氩工质的物性特点、国内外应用现状、技术难点以及未来发展方向。

我们希望借此引发谷友们对一件事的思考：新工质带来新工况对推力器结构件、贮供单元的材料和制造工艺提出了新要求，3D打印在其中可以做些什么，3D打印能够为电推进系统规模化生产及不断迭代做些什么。了解电推进的技术前沿与产业痛点，才能更精准地定位增材制造在航天动力供应链中的价值坐标。

以下为《氩工质霍尔电推进技术研究现状与展望》正文。

刘佳1,2,3 丁明浩1,2,3 黄浩1,2,3 丁永杰4 张岩1,2,3

1.上海空间推进研究所；

2.空间高效能推进技术及应用全国重点实验室；

3.上海空间发动机工程技术研究中心；

4.哈尔滨工业大学

低轨星座已经成为我国航天产业的重要增长点，我国现阶段规划的星座卫星规模在5万~6万颗，且还在不断增长，未来的市场竞争将异常激烈，低成本成为决定成败的关键因素。氩工质具有成本低、产量大、理论比冲高等突出优势，未来应用前景广阔。

一、氩工质霍尔特性分析

霍尔电推进已经成为空间推进重要组成部分，据统计，每100颗配置电推进的航天器中就有96颗配置霍尔电推进。现阶段，霍尔电推进的主流工质是氙气，相比其他工质，氙工质的综合性能最好，主要体现在：（1）相对原子量大，相同条件下输出推力最大；（2）电离率高，易形成高密度等离子体；（3）易实现微小流量的高精度控制；（4）贮存压力相对较低、贮存密度大；（5）与绝大多数材料兼容。

但是，氙气也存在明显的价格高、产量小的问题。氙气主要通过空分技术从空气中提炼，氙气在空气中的体积分数不到1/107，全球氙气的年产量约为60t，其中40%用于半导体产业，可用于空间电推进行业的氙气只有10%~30%；通常，低轨星座卫星的氙气加注量约为数千克至数十千克，随着低轨卫星年发射数量达到数百颗且不断增长，氙工质供应问题逐渐显现。氙气价格昂贵，每千克价格通常为数万元，且价格波动较大，近5年的波动幅度超过20倍，最高价格达到10万元每千克，为低轨星座等航天产业的发展带来不稳定因素。

早期，卫星的发射数量少、附加值高，氙工质的问题并不突出。但自2019年以来，低轨卫星星座及商业航天的兴起与快速发展，带动空间电推进应用范围急剧扩张，对氙工质的需求量明显上升，对低成本的要求越来越苛刻，氙气的替代工质逐步成为空间推进研究的热点和重点方向。

在诸多的替代工质中，氩工质是最重要的发展方向之一，尤其是在美国配置氩工质霍尔的“星链”2.0mini版卫星大规模成功应用的背景下，氩工质产品研发速度明显加快。相比氙工质，氩工质的优势体现在：（1）储量大、产量高。在空气中氩气含量是氙气的10万倍，年产量可观。（2）价格低。氩气的价格只有氙气价格的1/5000左右，每千克氩气的价格不到10元。（3）原子量小，理论比冲高。在相同加速电压下，氩气理论比冲比氙气高80%。但对于小功率霍尔推力器，氩气实际比冲往往比氙工质低，主要原因是氩气的电离率小、工质利用效率低，导致实际比冲偏低。随着霍尔推力器放电功率的增大，氩气的实际比冲会增加，当放电功率达到5千瓦级时，氩工质的比冲会超过氙工质，且随着霍尔推力器放电功率的增加，氩工质效率也增加，当功率达到20千瓦级，氩工质效率与氙基本相当。

然而，氩工质也存在系列的问题，主要体现在：（1）相同条件下氩的电离率小，工质利用效率偏低。氩气的电离能为15.7eV，氙气的电离能为12.1eV，氩气电离能比氙气大3.6eV；氩气的电离截面小，在电子能量为50eV时的电离截面只有氙气的一半；工质的电离率与电离截面正相关，与电离能负相关，氩气的电离率小，电离难度更大，见表1。（2）氩气贮存压力大、贮存密度小。在常温（25℃）条件下，氩气在20MPa压力下的贮存密度为0.34kg/L，而氙气在15MPa压力下的贮存密度就达到2.0kg/L，氩气的贮存效益明显低于氙气。

表1 氩和氙主要物性参数

二、国内外应用及研究现状

目前，国内外只有美国太空探索技术公司（SpaceX）的“星链”卫星实现氩工质霍尔电推进的空间应用。此外，一些国家和地区的研究机构已开展了相关研究工作，主要有俄罗斯中央机械制造研究院、英国南开普敦大学、日本筑波大学、美国密歇根大学等。在我国，北京易动宇航科技有限公司（简称“易动宇航”）、哈尔滨工业大学、上海空间推进研究所等单位正在进行相关研究。表2给出国内外典型的霍尔推力器氩工质性能测试统计情况。

表2 国内外典型的霍尔推力器氩工质实测性能统计

2023年2月27日，SpaceX“星链”2.0 mini版首批21颗卫星成功发射，实现氩工质霍尔电推进国际上首次在轨应用。截至2025年12月12日，共计发射97批次合计2381颗卫星，其中，2023年发射8批次合计177颗卫星，2024年发射12批次合计271颗卫星，2025年在12月12日前发射77批次合计1933颗卫星，见图1。“星链”2.0 mini版卫星质量575~790kg，配置氩工质霍尔电推进系统主动力，用于执行轨道提升、轨道维持等任务。据公开资料显示，其推力器功率4.2kW，推力170mN，比冲2500s，效率50%，质量仅有2.1kg。

图1 “星链”2.0mini卫星历年发射次数及数量

在“星链”2.0 mini版卫星首批星发射不久，2025年7月，易动宇航对外发布该公司研制的宽功率范围调节氩工质霍尔推力器成功点火，推力器实测功率0.2~1.2kW，推力6~46mN，比冲700~1900s，这是国内首款公开报道的氩工质霍尔推力器产品。同年，哈尔滨工业大学公开宣传其研制了氩工质永磁体霍尔推力器，并实现300~1350W功率点火。

俄罗斯中央机械制造研究院在氙工质霍尔推力器（D-100）基础上测试了氩工质在6~15kW功率范围的输出性能，见图2。氙工质比冲2500~4250s、效率67%~75%；氩工质比冲3000~4400s、效率32%~44%；氩工质比冲比氙工质高150~500s，但氩工质效率比氙工质低32%~35%。

图2 俄罗斯的D-100霍尔推力器

日本筑波大学在氙工质霍尔推力器基础上开展了氩工质适应性优化设计，主要将放电通道长度由原来的3mm增大到9mm。推力器放电功率700W，改进前氩工质的比冲为973~2227s，阳极效率为9%~22.3%，改进后氩工质与氙工质的效率差距缩小了5%~15%。

英国南安普敦大学也在100W氙工质霍尔推力器（HEKT-100）基础上进行了氩工质的性能测试。测试功率30~810W，氙工质的最大推力12.6mN，最高比冲2160s，最高效率26.3%；氩工质的最大推力6.7mN，最高比冲1390s，最高效率9.6%。表3给出HEKT-100推力器氙氩工质性能对比情况，氩工质的推力、比冲、效率等性能均低于氙工质，其中，氩工质的效率只有氙工质的36.5%。

表3 英国HEKT-100霍尔推力器氙氩工质性能对比

美国密歇根大学的学生团队基于氙工质霍尔推力器设计方法，通过对比分析的理论方法设计200W永磁体氩工质霍尔推力器，采用钐钴永磁体，磁感应强度为330G，最终实现氩工质稳定工作，累计点火时长达到5h。

上海空间推进研究所于2023年开展了氩工质霍尔电推进关键技术研究，明确霍尔推力器氩工质启动参数与流程，实现了推力器氩工质稳定工作，测试氩工质在3~5kW功率范围的输出推力60~170mN，比冲1700~2500s，最高效率在45%左右。

三、氩工质霍尔发展方向

针对霍尔推力器采用氩工质出现的电离难度大、比冲和效率偏低，贮存密度小、贮存压力高等问题，可采取的技术途径主要有混合工质增强电离、结构适应性优化设计、多级辅助电离设计、低温液态高密度贮存等。

（一）混合工质增强电离

霍尔推力器工质电离主要通过电子与工质粒子间的电离碰撞反应，而反应概率与工质（中性）粒子的密度、高能电子数量及其能量分布、碰撞截面等有关。在氩工质中增加少量的氙气或氪气等会影响氩工质的电离效率，氙氪工质的添加会间接提高电子温度，从而增加工质的电离效率。

日本筑波大学在开展氩氙混合工质霍尔推力器研究中发现：在纯氩气中增加5%的氙气，推力器的性能有明显提升；在纯氙气中增加不超过10%的氩气，推力器性能变化较小；在氩氙混合工质中，随着氙气含量的增加，推力器效率同步增加，纯氩气推力器效率最低，通常不超过5%。此外，法国奥尔良大学的研究也发现氩工质中增加少量的氙气有利于电离：在24mL/min氩气中添加0.5mL/min氙气，混合气体电离效率高于纯氩气。

美国乔治亚理工学院的研究发现：在氪工质中添加少量的氩工质有利于氪工质的电离，霍尔推力器的性能也会随之提高。在氪氩混合工质中，当氩气体积流量占比由0%增大到26%时：在2.6kW功率，推力由76mN增大到78mN，比冲由1600s增大到1650s，效率由23.5%增加到25%；在4.2kW功率，推力由103mN减小到102mN，比冲由2100s增大到2300s，效率由26%增加到27%。在氪工质中加入不超过26%的氩气，推力器的推力基本不发生变化，而推力器的比冲、效率会有明显提高（见表4）。

表4 2.6kW和4.2kW霍尔推力器氩氙混合工质性能变化

（二）结构适应性优化设计
现有霍尔推力器设计理论或方法多适用于氙工质，采用氙工质推力器输出性能高、工作稳定性好；为适应变工质的需求，需开展霍尔推力器结构的改进设计，主要包括推力器特征尺寸优化，气体分配器、磁路等结构改进等。

霍尔推力器的特征尺寸（见图3）主要包括放电通道宽度h、放电通道深度L、放电通道中直径D。不同类型的工质，相对原子质量或原子质量越小，工质电离碰撞驰豫时间越短，增大放电通道长度L可以延长电离碰撞的驰豫时间，进而可以提高工质的电离效率。但是，需要注意的是霍尔推力器的工质流量或放电通道内中性粒子的密度有上限值，当密度达到上限值后，磁场对电子的约束会被频繁的电离碰撞削弱，电势的轴向梯度（决定电离、加速效果）减小，最终导致在较高中性粒子密度下推力器性能降低。相比氙工质，氩工质对应的霍尔推力器放电通道适当加长，电离碰撞概率增大，在一定程度上可提高氩工质的电离率，密歇根大学研制的200W氩工质永磁体霍尔推力器，其放电通道长度是氙工质的3.5倍。

图3 霍尔推力器特征尺寸示意图

霍尔推力器气体分配器的作用是将工质粒子均匀分布在放电通道内部，尤其是在放电出口附近的电离与加速区，重点考虑中性粒子密度径向分布均匀性及轴向速度大小，当径向密度越大，且分布越均匀，而轴向速度偏小时，可以实现较高的电离效率。日本东京大学团队通过改变放电通道内工质气体的注入方式来提高中性粒子密度，通过将常规的轴向注入方式改为旋转注入，在放电通道出口处，中性粒子平均密度提高7.8%，推力器的阳极效率提高1.8%。

磁场强度及构型是霍尔推力器设计的核心，不同工质对应的最佳磁场不同，可以通过优化磁场强度及构型设计或增加辅助励磁，提高工质的电离效率。英国帝国理工学院研究氩或氙工质霍尔推力器磁场曲率对径向-轴向动力学特性及输出性能的影响，研究发现：当表征磁场曲率的角度为-60°时，氩、氙工质的电离效率最高；当表征磁场曲率的角度过大或过小时，两种工质的电离效率均会下降。

（三）多级辅助电离设计
氩工质霍尔推力器采用常规的电离方式难以获得更高的电离效率，故而可以通过基于能量和电压合理分配的原则增加辅助电离或将电离与加速分开的多级设计达到提高工质电离率或离子加速效率的目的，实现推力器电离效率、比冲等性能的提升。

美国密歇根大学为提高霍尔推力器的电离效果，在放电通道底部增加射频天线，起增强电离的作用，进而提高霍尔推力器的电离效率（见图4）。氩、氙工质的电离效率和推力均随着射频功率的增加而缓慢增加，但由于射频功率的耦合效率偏低，导致推力器整体的效率下降；为解决射频功率耦合效率较低的问题，德国航空航天中心提出采用线性场矢量激励网络产生线偏振电磁场的方式改变射频功率与等离子体耦合机制，提高射频能量的耦合效率。俄罗斯中央机械制造研究院采用双阳极设计实现工质电离与离子加速的独立控制、工质电离与离子加速能量的合理分配，进而提高霍尔推力器的比冲；霍尔推力器通过双阳极设计将氩工质的比冲提高到4400s，高于氙气的4250s和氪气的3900s的比冲。

图4 美国密歇根大学的螺旋波霍尔推力器

（四）低温液态高密度贮存
氩工质在常温下的贮存密度远小于氙气，且其贮存压力远高于氙气，导致氩工质的贮供单元质量是氙工质的1.5~2.5倍。对于小规模空间任务，氩气加注量通常在100kg以内，可以采用高压气态贮存方式，增加的系统质量是可以接受的；但对于大规模空间任务，氩气加注量在数吨级，常规的高压气态贮存方式代价过高，需采用87K以下的低温液体贮存方法，氩工质液态贮存的密度达到1.3kg/L，相比气态贮存，密度增加4倍（见表5）。低温液态贮存技术处于攻关阶段，需攻克低温贮箱多层绝热、微重力液体工质管理、零蒸发主动制冷等关键技术。

表5 不同类型工质的沸点及液态密度

美国国家航空航天局（NASA）认为，低温推进剂是进入空间及轨道转移最经济、效率最高的化学推进剂。美、欧在90K以上温区的低温液体贮存技术成熟度已经达到6级，具备飞行演示试验能力；美国的热力学排气低温贮存技术成熟度达到5~6级，同步开展零蒸发主动制冷低温贮存技术攻关。目前，我国兰州空间技术物理研究所正在开展氪工质的长期低温液态贮存关键技术研究，目标是实现液氪工质长期在轨零蒸发贮存；上海空间推进研究所等单位正在开展液氧甲烷低温工质的长期在轨贮存技术研究，上述研究均为氩工质长期在轨低温液态贮存奠定基础。

四、未来应用展望

氩工质霍尔最大的优势是成本低，其在巨型星座、商业航天等对成本管控严格的领域优势最为明显。针对工质加注量规模较大的空间任务，氩工质低温液态贮存具有显著的技术和成本优势。此外，氩工质的高比冲优势在20kW以上功率级的霍尔推力器中将得以实现，适用于大规模、远距离的空间探测等任务。

（一）巨型星座与商业航天
近年来，我国商业航天产业蓬勃发展，促进了霍尔电推进技术的快速推进。美国“星链”计划的成功有力促进商业航天动力向低成本电推进方向转变，霍尔电推进基本已成为低轨星座卫星动力系统的标配，低成本成为重要的发展方向。现有的氙工质霍尔电推进技术可以满足低轨组网卫星对推进系统性能的需求，但氙工质产量低、价格高、波动大的问题使其无法从根本上满足大批量卫星组网对低成本的需求，低成本的氩工质成为必然的发展方向。

（二）工质需求量大的大功率空间任务
目前，低轨组网卫星任务中，氙气的加注量一般不超过10kg，地球静止轨道卫星氙气加注量通常在200~500kg，氙气高成本、低产量等问题并不突出；但随着载人探月轨道空间站、在轨服务大范围转移飞行器、空间核动力飞船等电推进系统功率达到50千瓦级及以上的大规模空间任务的论证及规划，工质加注量达到数吨甚至更多，氙气的应用会受到极大的限制，开展低成本低温液态氩工质霍尔电推进技术研究显得尤为重要。

（三）大规模远距离的深空探测任务
目前，小功率氩工质霍尔推力器的比冲优势并不明显，随着推力器功率的增大，氩工质的电离效率提高，推力器的比冲、效率随之增长。对于50千瓦级霍尔推力器来说，氩、氙工质的效率相当，而氩工质的比冲可到6000~6500s，高于氙工质4000s左右的比冲。氩工质高比冲的特点适用于未来大规模、远距离的深空探测任务，可显著降低工质的消耗量，扩展深空探测范围。

本文刊登于《中国航天》2025年第12期

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在生活中人们比较熟悉的骨骼、竹子和荷叶并非由单一材料或均匀结构堆砌而成，而是通过多材料与跨尺度层级的巧妙搭配，让不同区域各司其职。如果用工程领域的视角来看，它们都属于功能层级结构。

功能层级结构逐渐成为主流设计趋势，这是因为它打破了传统均质材料的性能天花板，用最少的代价实现局部最优的功能集成。而制造行业的人都清楚这样的结构对制造的挑战很大。增材制造-3D打印技术能够逐层堆叠、灵活组合多种材料与复杂几何结构的特性，为制造这类复杂功能层级结构提供了新可能。不过，这并不意味着没有挑战。比如说，多材料界面的结合容易产生缺陷，精细内部结构的支撑去除困难，再加上如何系统化地指导设计而非盲目试错，仍是当前亟待攻克的前沿难题。

本期谷·专栏分享的由上海交通大学研究团队发表的综述论文，对增材制造多层级功能结构这一话题进行了深入论述。

论文链接：

doi.org/10.1016/j.pmatsci.2026.101725

该论文以上海交通大学为第一完成单位，上海交通大学研究生郑庚辰为第一作者，共同作者包括上海交通大学吴一副教授、孙华助理研究员、王洪泽长聘副教授、王浩伟讲席教授、高振洋博士、任芃源博士生，多伦多大学Xinyu Liu教授和Yu Zou教授，南洋理工大学Kun Zhou教授，香港大学Yang Lu教授。

 内容简介

长期以来，工程领域一直怀揣着一个持久的追求，那就是理解、实现并人工复现自然界中复杂材料与结构的功能之美。

为更好地满足不同区域的功能需求，采用多材料组成和层级结构的设计正逐渐成为主流趋势。功能层级结构可以理解为：材料或几何结构在多个空间尺度上呈现出的渐变或过渡。这类结构在自然界和工程领域都广泛存在。比如说骨骼就是一种天然的多孔功能层级结构，表现出非均匀的各向异性特性。还有生活中常见的汽车轮胎也是一种典型的功能层级结构，它们的外层是柔软耐磨的橡胶，中间层是起缓冲作用的空气，内层是承受载荷的金属材料。这些例子都表明，材料和结构的双重多样性设计是十分必要的。

不过，这些结构固有的几何复杂性，使得传统的制造方法难以实现。增材制造-3D打印技术为突破传统制造限制，释放设计自由度，实现无限创造和环境可持续提供了可能。

增材制造是实现功能层级结构制造的重要技术手段。尽管如此，功能层级结构的研究仍面临不少挑战。

近日，上海交通大学材料科学与工程学院特种材料研究所团队在材料领域著名期刊《材料科学进展》（Progress in Materials Science, IF=40）上在线刊登了题为Design, properties and applications of additively-manufactured functional hierarchical structure的综述文章。研究团队从超结构设计与多材料增材制造方法等角度总结了多层级结构的研究现状，并从力、振动、声、电磁、热力与多功能耦合等方面探讨了其功能特性。该工作综述了多层级结构的设计思路、总结了多功能特性的设计策略，展望了其潜在应用场景，为多层级功能结构的创新设计和增材制造提供了思路。

以下为上海交通大学材料学院对该综述论文核心内容的分享。

生物结构往往由多材料和多层级特征组成，以实现自然界独特的功能特性。增材制造技术为将这些生物结构转化为人工结构提供了可能。这些结构可以展示出精心设计的不同多尺度材料和几何结构的空间组合。

图 1 具有多材料与超材料特性的层级结构设计策略

尽管在开发这些功能层次结构方面的研究正在兴起，但业界仍缺乏对基本设计和功能知识的系统总结。上海交通大学研究团队从多材料和结构超材料的角度回顾了层次结构，提供了对多材料模型、制造技术和层次结构的重要理解，以及来自经验设计、生物识别和机器学习方法的超材料，如图1所示。

图 2 增材制造多层级结构的功能特性

此外，还探讨了功能性分级结构的多功能特性，包括了如能量吸收、损伤容限、振动阻尼、吸声性能、电磁屏蔽、热交换器与热阻，以及其他多物理场耦合，如图2所示。

 师法自然：从单一走向多级

自然界经历亿万年的进化，创造了如骨骼、竹子、贝壳等极具精巧构型的高性能材料。这些材料的共同特点是具有明显的分级性——即在不同空间尺度上拥有特定的结构特征。

本综述论文指出，传统制造技术在处理这种跨尺度复杂结构时往往面临制造受限的挑战。而增材制造技术的崛起，彻底打破了复杂性带来的成本障碍。通过激光粉末床熔化（PBF）等增材制造工艺，实现了在宏观零件内部精准嵌入微纳尺度的拓扑单元，从而赋予材料超越天然物质的超常规性能。

 核心发现：1+1>2的性能跃迁

论文深入剖析了分级结构背后的物理机制，提出了几个颠覆性的观点：

1. 力学性能的“鱼与熊掌兼得”： 在传统认知中，强度与韧性往往不可兼得。通过多层级点阵（Hierarchical Lattice）设计，可以有效阻断裂纹扩展，在保持超轻重量的同时，实现极高的能量吸收效率和抗压强度。

2. 缺陷容忍度的提升：增材制造不可避免会产生微小缺陷，但在多层级结构中，应力分布被精细地重新分配，即使局部出现微小裂纹，整体结构依然能保持稳定，极大提升了工程应用的安全性。

3. 多功能集成：多层级级结构不仅是力学的艺术，更是热、电、声、生物性能的综合体。通过调整空间孔隙的分级分布，可以同时实现高效散热、吸声降噪以及促进骨细胞生长的生物活性，使结构本身即功能。

 展望未来：AI辅助与增材制造的交汇

尽管前景诱人，但论文也清醒地指出，多层级结构的大规模应用仍面临挑战。对此，作者提出了三大前瞻性展望：

设计智能化。 随着结构层次的增加，计算量呈指数级增长。未来，人工智能与机器学习将介入设计过程，通过算法自动寻找性能最优的“非直观”形状，实现真正的AI造物。

制造极端化。 未来技术将追求更高的精度与更大的尺寸共存。如何在米级构件上完美呈现微米级的分级特征，将是下一代增材制造装备的核心战场。

材料-结构-制造一体化。 针对多层级结构与高性能材料的特性，开发相匹配的智能增材制造工艺，推动多层级结构的高性能、高精度、低成本、批量化增材制造是当前面临的挑战。

该工作得到了国家重点研发计划（2023YFB3712001）、国家自然科学基金（52025058，52441503，523B2048，52075327，52105469），上海市科技发展基金（23YF1419400），中国博士后科学基金（2021M692038，2022T150399），安徽省高效协同创新项目（GXXT-2022-086，GXXT-2023-029）的支持。

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智能变形飞行器能够根据不同的飞行条件动态调整机翼形状，从而优化气动性能。超材料因其定制化的单胞设计，展现出传统材料所不具备的优异性能。超材料因具有高设计自由度、优异力学和功能特性，是变形飞行器的理想材料。

然而复杂的仿生超材料对传统制造技术提出了挑战。激光粉末床熔融（LPBF）技术是正华自傲具有空间定制几何形状的复杂超材料的有效途径之一。

近日，南京航空航天大学顾冬冬教授课题组，提出了一种激光粉末床熔融成形的仿马齿苋种皮柔性金属超材料，实现了超材料面内变形行为可设计性及可重构变形功能特性，并在SCI期刊《极端制造（英文）》期刊上发表了题为Laser printed bio-inspired active flexible metallic metamaterials with reconfigurable deformation capability的文章。本期谷·专栏将对该文进行简要分享。

图1 仿马齿苋种皮波纹网络结构设计及大变形/可重构一体化调控。

论文链接：
DOI: /2631-7990/ae2073

作者
陈雯昕，顾冬冬*，刘欣，孙宇，孙建峰，苏芳燕，邹锦文，陈宇生

机构
南京航空航天大学

 图文解析

本研究的创新之处在于提出了一种基于马齿苋种皮柔性大变形功能启迪的智能金属超材料。利用激光粉末床熔融成形（LPBF）技术，精确成形了一系列仿生波纹网络结构试样。通过仿生结构优化设计及单胞构型参数化建模，实现了仿生波纹网络结构面内拉伸性能及其变形行为的主动调控。

图2 仿生波纹网络结构设计。

图3 激光粉末床熔融成形仿生波纹网络结构。

图4 仿生波纹网络结构可调面内拉伸力学性能及变形行为。

结合NiTi形状记忆合金功能特性，超材料试样在10%应变下实现了最高96.1%的主动变形回复。仿生波纹网络变形翼肋实现了-25°~25°的连续变形能力和稳定的主动变形响应。

图5 仿生波纹网络结构形状记忆功能。

图6 仿马齿苋种皮波纹网络结构基变形翼肋主动变形应用。

 总结与展望

本文基于马齿苋种皮大变形功能启迪，通过参数化结构设计并利用LPBF技术成形了一系列仿生波纹网络结构。主要结论如下：

六边形波纹网络结构（HNHs）表现出优异的变形能力（断裂应变为38%）、承载能力（比强度为35.0 N·m·Kg−1）和能量吸收性能（SEA为699.7 mJ·g−1）。

仿生波纹网络结构通过调节单胞壁的数量为3、4和6，实现了可调的面内拉伸性能和变形行为，其泊松比可调范围为-0.21~0.47。

10%应变下HNHs结构实现了最高96.1%的主动变形回复，HNHs基的变形翼肋可实现-25°~25°的连续变形能力及稳定的主动变形响应。

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镁合金因其低密度和高比强度的特点，作为轻量化结构材料在航空航天、交通运输等领域受到广泛关注。

钆（Gd）作为镁合金中最有效的强化元素之一，其高固溶度和显著的时效析出强化效应，使得Mg-Gd系合金在众多镁合金体系中展现出最佳的强度，成为当前研究的热点。然而，随着钆含量的提升，合金的塑性显著下降，室温脆性问题突出，且传统铸造与变形工艺在高钆含量合金制备中面临晶粒粗大、成分偏析、加工开裂等难题，限制了其在高性能结构件中的应用。

增材制造技术，尤其是激光定向能量沉积（LDED）技术，凭借其快速凝固、溶质捕获和细化晶粒效应，为制备高钆含量、成分均匀、无缺陷的镁合金提供了新的技术路径。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jma.2025.04.007

最近，北京航空航天大学李卓副研究员课题组徐哲博士等人采用LDED技术，成功实现超高钆含量（≈23 wt.%）Mg-Gd-Zn-Zr合金的高质量制备，通过系统的热处理与组织调控优化其微观组织，获得了优异的抗拉强度（425 MPa），并保持了较高的延伸率（3.4%），且受益于高Gd含量，合金在220℃、250℃长时间保温过程中性能退化缓慢，展现出优异的高温长时间使用潜力，为推动高强韧镁合金在航空航天等领域中的应用提供了材料和技术基础。

 图文解析

微观组织：文章首先对沉积态LDED-VZ232K合金进行了微观组织分析，如图1，发现合金为近等轴晶组织，平均晶粒尺寸为11.9±2.1 μm，显著小于文献报道的G20K合金（16.1 μm）与GW103K合金（19 μm）。合金中存在面积分数高达35.8%的网状分布共晶相，Zn元素的添加降低了Gd在Mg中的固溶度，导致大量Gd原子在网状共晶相内偏聚。共晶相与沿晶界处弥散分布的针状析出相均为面心立方结构的Mg3Gd相（晶格常数a=0.74 nm），这与常规Mg-Gd合金中常见的Mg24Gd5相存在显著差异。本体系中高浓度Gd原子导致Mg晶格位点被Gd原子占据比例增加，从而稳定了Mg3Gd晶体结构。

LDED-T4态VZ232K合金显微组织由宽度约5 μm的共晶相、簇状针状相及贯穿整个晶粒的层状结构共同构成。合金中存在两种尺寸差异显著、取向平行的层状结构相，其中LPSO相数量较少而SFs数量较多。高分辨TEM图像清晰呈现两种层状结构的尺寸差异：较大者为LPSO相，较小者为沿C*轴分布的SFs。逆快速傅里叶变换（IFFT）分析（图2e）证实，LPSO相原子排列遵循14H-LPSO结构特征的AB|ABCA|CA|CA|C|B|AB|A堆垛序列，而SFs沿C*轴周期小于3.722 nm，表明SFs是稳定LPSO相形成初期的亚稳结构。图2f显示，SFs的堆垛序列符合Burgers矢量为b = 1/6 <11-20>的Frank不全位错模型。

图1 沉积态VZ232K合金：（a）反极图（IPF）；（b）晶粒尺寸分布；（c）极图；（d 和 e）背散射电子扫描电子显微镜（BSE-SEM）图像。

图2 LDED-T4 VZ232K 合金的透射电子显微镜（TEM）结果：（a、b）明场图像；（c）SFs 的选区电子衍射（SAED）；（d）层状 SFs 和 LPSO 相的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像；（e、f）LPSO 相和 SFs 的反傅里叶变换（IFFT）。

力学性能（高温长时应用潜力）：为获得最佳力学性能，本研究建立了合金的220 ℃与250 ℃时效硬化曲线，如图3。合金在220 ℃时效12 h达到峰时效状态，最高硬度值达144 Hv，显著优于多数稀土镁合金。相比之下，250 ℃时效温度下的硬化曲线呈现”平台期-缓降期”两阶段特征：6-60 h为平均硬度约139 Hv的平台期，60-100 h进入缓降阶段。并且T61-220 ℃/12 h时效态合金展现出最优综合力学性能：UTS达424±6 MPa，YS为326±4 MPa，EL为3.4±0.2%。四组过时效试样的室温拉伸试验结果如图所示，合金的极限抗拉强度和延伸率随着时效时间的延长有一定程度的降低，而屈服强度的降低不太明显，均保持在300 MPa以上。具有高屈服强度的主要原因是峰时效态的VZ232K合金β′相数密度为2.4×10⁴ μm⁻²，较其他经固溶+时效处理的高稀土镁合金提升2-6倍，且其峰时效态β′相长、宽尺寸均较小。相较于其他高Gd镁合金，LDED-VZ232K合金具有更高的β′相数密度与更小的相尺寸，充分体现了超高Gd合金显著的沉淀强化效应。

图3 VZ232K合金220℃和250℃时效硬化曲线和不同状态下室温拉伸曲线。

过时效态强化机制：过时效态β′相展现出两大特征：其一，保持超高数密度；其二，形成三向交叉互锁结构（图4）。由于超高Gd含量显著降低过饱和固溶体中β′相的形核能垒，极大提升均匀形核速率，使其在时效初期即形成数密度达1.7×10⁴ μm⁻²的β′相。三向交叉互锁结构可理解为β′相从低长径比球状形态向高长径比片状形态ΔGσ的演变，这种形貌转变受界面能与应变能平衡关系支配。应变能ΔGε与界面能ΔGσ表达式分别为：

式中，r为析出相颗粒直径，ε为单位应变能，σ为单位界面能。当ε与σ数值相近时，形核初期界面能阻力(ΔGσ）大于应变能阻力（ΔGε），此时β′相优先形成球状形貌以最小化界面能；当β′相尺寸超过临界值后，应变能（ΔGε）占主导地位，相形态转变为片状以降低应变能。β′相沿三个棱柱面生长并在基面投影形成三向交叉互锁结构。

图4 LDED-VZ232K合金不同状态下组织演变示意图。

低Gd含量的Mg-Gd合金在过时效条件下沉淀相的显著粗化和生长会对屈服强度产生不利影响，而LDED-T6 VZ232K合金中的β’相在过时效阶段经历从均匀网状分布到三向交叉互锁结构的转变，如图5。先前的研究一致表明，与单向β’相相比，具有三向交叉互锁结构的β’相具有更大的表面积，能够阻止位错滑移，从而对屈服强度的增强产生更明显的影响。因此，可以推断，在过时效状态下保持高且稳定的屈服强度很可能归因于具有较高且稳定数密度的β′相和三向交叉互锁结构。

图5 LDED-VZ232K合金280 ℃时效硬化曲线及β’相组织演变。

断裂机制：沉积态合金中（图6a），裂纹起源于硬脆共晶相，并沿晶界相互连接的共晶相网络扩展。连续网状共晶结构为裂纹提供了有效扩展路径，最终呈现典型的沿晶断裂特征。T4态合金（图6b）中，孤立岛状的共晶相区域出现大量二次裂纹，表明孤立岛状的共晶相在变形过程中发生显著塑性变形，同时α-Mg基体内高密度堆垛层错结构进一步提升了合金变形能力，这使得T4态合金断裂模式由沿晶断裂转变为穿晶断裂（图6c）。T6态合金（图6d）经时效热处理后，堆垛层错（SFs）转变为尺寸更大的γ′相，其协调变形能力下降，导致合金呈现沿晶与穿晶的混合断裂模式。

图6 不同热处理状态下 LDED VZ232K 合金的断口形貌：（a）沉积态合金；（b）LDED-T4；（c）沉积态和 T4 处理态合金的断裂机制；（d）LDED-T6。

  结论与展望

本研究通过LDED技术成功制备出超高Gd含量（23 wt.%）的VZ232K
镁合金，系统揭示了其热处理过程中组织演变与力学性能的关联机制，主要结论如下：

（1）LDED技术的快速凝固特性实现了超高Gd含量合金的高质量制备，沉积态合金形成11.9±2.1 μm的细小等轴晶，高屈服强度源于细晶强化，但网状共晶相导致合金塑性受限。

（2）固溶热处理使网状共晶相转变为孤立岛状分布，同时引入大量堆垛层错与细层状LPSO相，断裂模式从沿晶断裂转变为穿晶断裂，延伸率提升至 8.9±0.4%，实现强度与塑性的初步协同。

（3）峰时效态合金的卓越性能源于 β′相的超高数密度（2.4×10⁴ μm⁻²）与纳米级尺寸引发的强烈沉淀强化；过时效态形成的 β′相三向交叉互锁结构，保障了高硬度平台与300 MPa级屈服强度的长期稳定。

本研究突破了传统工艺的Gd含量限制，为超高强度镁合金的制备提供了新范式。未来可进一步优化合金成分设计与热处理工艺，探索多元素协同强化机制，推动高稀土镁合金在航空航天承力构件中的工程应用。

稿件来源：Journal of Magnesium and Alloys

该文章发表在《Journal of Magnesium and Alloys》2025年13卷第8期：

Zhe xu, Zhuo Li*, Chunjie Shen, Dongdong Zheng, Yuxuan Tu. Additive manufacturing high-strength and ultra-high-rare-earth magnesium alloys: Excellent long-time aging hardening and strengthening behavior [J]. Journal of Magnesium and Alloys, 2025, 13(8): 3829-3846.

作者简介

徐哲 第一作者

北京航空航天大学材料科学与工程学院2023级博士生，长期从事激光增材制造镁合金、高熵合金等新材料设计和组织性能调控研究，已发表SCI论文7篇。

李卓 通讯作者

博导，副研究员，北京航空航天大学高性能金属构件增材制造北京市重点实验室副主任，国防科技工艺激光增材制造创新中心骨干成员，中国菱镁协会镁合金专委会委员，JMA期刊青年编委。长期从事增材制造高性能金属材料设计工作，专注于利用增材制造特殊非平衡特征突破传统合金设计和冶金限制，开发新型高性能金属材料并优化其组织性能。已发表SCI论文65篇，授权发明专利7项。

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增材制造因其在复杂结构成形和设计自由度方面的优势，已广泛应用于航空航天、能源装备和生物医疗等领域，其中激光选区熔化（L-PBF）是最常用的金属增材制造工艺之一。

然而，受快速熔凝和粉末原料特性的影响，L-PBF制备的金属中不可避免地引入多尺度孔隙等缺陷，这些缺陷在服役载荷下的演化及相互作用是导致材料失效和断裂的关键因素。原位X射线断层扫描技术（XCT）可在变形过程中三维观测内部缺陷演化，但现有研究多依赖典型缺陷或统计特征，在缺陷数目不断增加、形态快速演化及缺陷合并频繁发生的条件下，仍难以准确追踪单个缺陷从初始状态演化至最终断裂的全过程，从而限制了对断裂起源及缺陷相互作用机制的深入理解。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121816

追踪单个缺陷从初始到断裂的全过程

针对上述挑战，西安交通大学金属材料强度全国重点实验室孙军院士团队，由丁向东教授、陈研副教授牵头，联合南洋理工大学研究人员，发展了一种面向原位XCT数据的单缺陷时空演化追踪新方法，实现了在大塑性变形条件下对材料内部每一个缺陷的连续、稳定和高精度追踪，并系统揭示了增材制造金属中缺陷演化、相互作用与最终断裂之间的内在关联。

图1 原位拉伸过程中缺陷的表示与追踪策略

该研究提出了一种以三维点云表征缺陷为基础的追踪框架，在传统缺陷体积与位置特征之外，进一步引入了缺陷局部环境相似性的度量，从而显著提升了缺陷匹配在复杂演化过程中的鲁棒性，有效克服了缺陷合并、突变位移以及视野边界效应等因素对追踪精度的影响。在此基础上，研究团队首次构建了基于追踪结果的断裂拓扑树（fracture topology tree），实现了对最终断裂裂纹的“逆向溯源”，从而识别出在材料初始状态中即已存在、并最终主导断裂的原始关键缺陷。该方法为理解材料内部损伤累积与失效演化提供了全新的分析工具。（图2）

图2 断裂拓扑树结构

以 L-PBF制备的316L不锈钢为代表材料，研究系统分析了拉伸过程中孔隙缺陷的时空演化行为。结果表明，缺陷形态特征与其周围缺陷环境之间的相互作用在断裂演化中起着决定性作用。基于此，研究提出了两个简洁而有效的参数：缺陷形态参数（Mdefect）和环境交互参数（Fenv）。二者的协同演化能够清晰区分最终导致断裂的“断裂相关缺陷”和对断裂贡献较小的“非断裂相关缺陷”。在缺陷逐渐被XCT探测到的应变阶段之后，借助这两个参数并结合简单的无监督学习方法，即可对断裂相关缺陷进行合理预测。

图3 各个拉伸状态下缺陷形态参数(Mdefect)和环境交互参数(Fenv)

上述研究成果以“Spatiotemporal Evolution of Defects in an Additively Manufactured Alloy Monitored through in-situ X-ray Computed Tomography”为题，发表在材料科学领域著名期刊《Acta Materialia》上，金属材料强度全国重点实验室为论文第一作者单位与唯一通讯单位。该工作是在西安交通大学材料学院孙军院士、丁向东教授指导下完成，材料学院许鑫博士为论文第一作者，丁向东教授和陈研副教授为共同通讯作者，南洋理工大学Upadrasta Ramamurty教授等参与并指导了相关研究工作。该研究得到了国家自然科学基金国际（地区）合作等项目的资助支持。相关XCT测试工作得到了西安交通大学分析测试共享中心的大力支持。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121816

转载自：增材制造硕博联盟

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近日，日本东北大学程建锋、武汉理工大学罗国强、上海交通大学王洪泽领导的联合研究团队，在材料科学顶级期刊Materials Science & Engineering: R-Reports (MSE-R，影响因子26.8)上发表了题为“3D Printing in Lithium Battery Manufacturing: Opportunities, Challenges, and Perspectives”的长篇综述。

综述文章系统梳理了3D打印技术在锂电池制造中的最新进展，并首次从材料、结构、界面及人工智能协同设计的角度，提出下一代智能电池制造的系统路线图。

本期谷·专栏将分享该论文的亮点内容。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.mser.2026.101211
该论文第一作者魏靖为日本东北大学与武汉理工大学联合培养博士研究生，通讯作者为日本东北大学程建锋教授、武汉理工大学罗国强教授和上海交通大学王洪泽教授。

 跨越二维极限
     拓扑优化重塑电池力学与电化学性能

随着高比能固态电池的发展，传统涂布工艺R2R的局限性日益凸显。联合团队在文中全面评估了包括直写成型（DIW）、激光粉末床熔融（LPBF）和光聚合在内的多种增材制造技术。

文章指出，利用3D打印构建诸如螺旋面（Gyroid）铜集流体或石墨烯气凝胶电极等复杂三维架构，能够实现极片孔隙率和几何形状的精准定制。通过这种结构拓扑优化，不仅能保障离子的快速传输并抑制锂枝晶生长，更能有效缓解充放电过程中的剧烈体积膨胀，显著降低材料内部的局部峰值应力，从而赋予电池卓越的力学稳健性（Mechanical robustness）。

图1 锂电池发展历程

图2 3D打印锂电池中的设计潜力、技术挑战及工业化路径蓝图

 聚焦全固态前沿
     破解复合电解质界面难题

针对下一代全固态锂电池（ASSLBs）的核心痛点，该综述重点探讨了3D打印在破解材料化学与界面完整性方面的挑战。特别是在制备复合聚合物电解质时，如何平衡超过70 wt%的高陶瓷活性填料负载量与墨水流变学稳定性，以及如何将异质层间的界面阻抗降至最低，是目前跨越亚百微米级结构保真度的关键科学与工程瓶颈。

图3 3D打印制备的固态电解质（SEs）：(a)通过直写成型（DIW）制备的PVDF/LiTFSI/LLZTO复合电解质；(b)通过DIW制备的PVDF/Al₂O₃复合电解质；(c)通过熔融沉积成型（FDM）制备的PEO/LiTFSI电解质丝材。

值得关注的是，该综述并未止步于3D打印技术本身，而是进一步提出“AI辅助电池智能制造”新范式。团队系统总结了高斯过程优化、生成式模型设计及闭环反馈控制在墨水配方优化、微结构反向设计和打印过程调控中的应用路径，为未来自主化、智能化电池制造提供了理论框架。

 融合人工智能
     数据驱动引领材料研发范式变革

面对复杂的墨水配方与庞大的工艺参数空间，联合团队在文中深度剖析了传统电池制造与3D打印制造之间的根本矛盾，前瞻性地指出：3D打印技术能够实现电池性能与传统工艺限制的彻底“解耦”，并将“可制造性”重新定义为一项关键的设计参数。

为了实现这一目标，未来的研发必须高度依赖数据驱动与人工智能（AI）辅助策略。文章详细探讨了如何利用高斯过程（Gaussian-process）优化墨水配方，以及运用生成式模型（Generative modeling）进行微观结构设计，从而直接逆向指导电池的力学与电化学多目标优化。

图4. 3D打印锂电池组件的可打印性-性能全景图。该概念框架展示了材料组成和打印参数如何界定三个操作区间：聚合物主导区（高可打印性，低电导率）、优化复合区（性能均衡），以及陶瓷主导区（高电导率，低可打印性）。最佳区域代表了流变学稳定性、结构保真度与电化学效率之间的平衡。人工智能（AI）辅助设计策略能够将性能边界向上推移，从而拓展可实现的性能区间。

图5.包含三个AI驱动步骤的AI辅助3D打印工作流程：(I)面向制造的设计（DfM）步骤，(II)AI引导的切片步骤，以及(III)作为实时反馈闭环3D打印框架的打印后评估步骤。

 打破学科壁垒
     迈向智能制造新纪元

展望未来，研究团队在文中强调，3D打印在锂电池领域的发展已超越单一的技术进步，代表着一种全新的制造范式。通过将电化学约束转化为设计变量，3D打印彻底打破了材料科学、机械设计与数据智能之间的学科界限。

在这个统一的框架下，材料的可打印性、结构精度与电化学功能实现了无缝集成与协同优化。实现这一宏大愿景需要构建协调一致的全球性框架，建立可打印材料的互操作标准、开放的数据描述符图谱以及AI引导的设计库。国际合作也应跨越竞争，走向共享学习的创新生态系统。

最终，3D打印、人工智能与全球标准化的深度融合，将推动锂电池制造从传统的经验主义彻底走向智能“可制造性”，构建出一个具备自我分析、自我完善能力的可持续生产生态，为下一代数字化智能能源系统（涵盖柔性电子、电动汽车及电网级储能）提供坚实的架构骨干。

图6.对比分析：(A)传统电池制造与基于3D打印的制造方法在多个维度上的归一化对比，具体维度包括设计灵活性、材料利用率、界面控制、制造工艺复杂性、可扩展性对比精度与材料包容性、性能优化，(B)各类3D打印技术的性能对比，包括(B1)选择性激光熔化(SLM)，(B2)直写成型(DIW)，(B3)喷墨打印(Inkjet)，(B4)立体光固化成型(SLA)，(B5)熔融沉积成型(FDM)，以及(B6)整体技术对比。

【合作项目资助】

本研究为中日多方合作完成，得到多项科研基金与校企合作项目支持，包括：日本东北大学材料科学核心研究集群（CRC-MS）、东电纪念财团（TEPCO Memorial Foundation）基础研究基金、日本学术振兴会（JSPS）科学研究费助成事业（JP25K18058）、广东省基础与应用基础研究重大项目（2021B0301030001）、国家自然科学基金（52441503），以及上海交通大学—宁德时代（SJTU-CATL）新能源电池9σ联合研究项目的部分支持。

程建锋课题组依托Tohoku University先进材料研究所（Advanced Institute for Materials Research, AIMR）与材料科学核心研究集群（CRC-MS），致力于下一代能源存储材料与器件的前沿研究，重点聚焦固态电池关键材料、界面科学以及数据驱动材料设计。

课题组主页：https://www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/~ej-cheng/Research.htm

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软体机器人，又迎来新突破！

凭借其独特的柔性和适应性，软体机器人在医疗、人机交互和可穿戴设备等领域的潜力早已不是秘密。但如何快速、高效地制造出结构复杂、功能可编程的软体机器人，一直是困扰着科学家们的难题。

传统的制造方法，如模具铸造，不仅流程繁琐、耗时，而且极大地限制了设计的自由度。现在，来自哈佛大学的研究团队，给出了一套全新的解决方案。

他们提出了一种名为旋转多材料3D打印（RM-3DP）的全新制造范式，赋予了软体机器人堪比“七十二变”的复杂形变能力，能够将复杂的内部气动网络直接“打印”进软体机器人的身体里，就像一次性为机器人植入了可编程的“血管”和“肌肉”。

通过这种方法，他们不仅能制造出可以精确控制弯曲、扭转的纤维，还能打印出会开花的“机器花朵”，甚至是一只能够独立控制五指、完成抓握动作的“机器手”！

这项重磅研究已发表在材料科学领域国际顶级期刊 Advanced Materials 上。

论文链接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202510141

 01. 一根“管中管”：旋转打印技术揭秘

这项技术的精髓，在于一个特殊设计的3D打印喷头和两种协同工作的“墨水”。

想象一下，打印机挤出的不再是一根实心线条，而是一根精巧的“管中管”——也就是研究中提到的核-壳结构（core-shell）长丝。

• “壳”，是软体机器人的身体，由一种光固化弹性体墨水构成。
• “核”，则是未来用于通气驱动的通道，在打印时由一种特殊的“牺牲墨水”（fugitive ink）填充。

这种“牺牲墨水”是一种温敏性凝胶（Pluronic F-127），在室温打印时是固体，能稳定地支撑结构；而一旦制造完成，只需用0°C的冰水一冲，它就会瞬间液化并被冲走，留下一个中空的、成型的气动通道。

更关键的是，这个内部通道并不是对称的。通过精确设计喷头内部的几何形状（如上图c中的角度φ），研究人员可以制造出不对称的通道截面。当向这个不对称的通道充气时，由于通道壁厚薄不均，长丝就会向着更厚、更强韧的一侧弯曲，从而实现驱动。

而这项技术真正的“杀手锏”，是“旋转”。

打印喷头可以一边挤出材料，一边进行高速旋转。这意味着，研究人员可以在打印一根长丝的过程中，任意改变其内部不对称通道的朝向。

比如，保持通道方向不变，打印出的就是直线弯曲的驱动器。如果在中点旋转180度，驱动器就会向相反方向弯曲，形成一个S形。如果连续旋转，就能得到一个螺旋形的驱动器。

此外，通过控制“牺牲墨水”的挤出流速（Qf），还能动态改变通道的横截面积。流速大，通道就粗，驱动形变就大；流速小，通道就细，甚至可以使其几乎不产生形变，成为一个“惰性”的连接段。

这种在打印过程中对内部通道的方向、形状和尺寸进行亚体素级别（subvoxel-level）的动态编程能力，为制造前所未有的复杂软体机器人打开了大门。

 02. 从线到面：为软体机器人编程“七十二变”

掌握了这项“独门绝技”后，研究团队开始展示他们如何为软体机器人“编程”出堪称“七十二变”的各种复杂形态。

首先是一维（1D）长丝。他们打印出的单根长丝，在充气后可以精确地弯曲成预设的曲率。实验结果与计算机模拟高度吻合，证明了该方法的可预测性和可靠性。

通过在打印路径中编程通道的旋转和流速，研究人员展示了多种复杂的形变模式：

• 周期性弯曲：通过多次180度旋转，长丝在充气后会像波浪一样周期性地向不同方向弯曲。
• 螺旋扭转：通过连续旋转打印（w* = -1），长丝在驱动时会扭转成一个紧密的螺旋线圈，在83kPa的压力下，末端角位移高达880度。
• 局部铰链：通过在长丝中打印一小段粗通道（高Qf），两侧连接细通道（低Qf），就形成了一个“铰链”。充气时，只有“铰链”部分会发生剧烈弯曲，弯曲角度可超过180度，实现“对折”效果。利用这个原理，他们甚至用一根长丝打印出了一个充气后能自动折叠成线框立方体的结构。

从一维走向二维（2D），研究人员将多根长丝并排打印，构建出可以大面积形变的“表面”。

他们设计了一种“棋盘格”图案的驱动器。在这个表面上，相邻的“格子”区域内部，气动通道的方向被设定为相反（一个朝上θf = 0°，一个朝下θf = 180°）。当整个结构充气时，就会出现有的区域向上拱起，有的区域向下弯曲的奇特景象，实现了对表面形貌的区域化编程控制。

这些从线到面的演示，充分证明了RM-3DP技术在构建具有复杂、可编程形变能力的软体结构方面的强大潜力。

 03.“费马螺线”指路：打印出会抓握的机器手

要制造像人手一样复杂的仿生结构，光靠手动设计打印路径是远远不够的。为此，研究团队引入了一个强大的算法工具——基于费马螺线（Fermat spirals）的连续打印路径规划算法。

这个算法可以将任意二维矢量图像（比如一朵花或一只手的轮廓）自动转换成一条连续不断的打印路径。打印机沿着这条路径一笔画下来，就能完成整个复杂结构的填充。

团队首先以一个六瓣花朵的图案作为演示。算法生成了连续的打印路径，同时，RM-3DP系统根据路径的走向，实时调整内部气动通道的方向，确保所有花瓣的通道都朝向内侧。打印、固化、冲走牺牲墨水后，一个精美的软体“机器花朵”便诞生了。轻轻充气，花瓣就会优雅地向中心卷曲，仿佛正在绽放。

最终，团队利用该方法制造出了一只软体机器手。

研究人员将人手的图像输入系统，算法自动生成了覆盖整个手掌和五根手指的连续打印路径。更巧妙的是，他们在手指的“关节”位置，通过程序化地改变挤出流速，预设了“铰链”结构。

最终成品是一只拥有5个独立气路输入的机器手。通过压力调节器，可以独立控制每一根手指的弯曲。从伸掌，到依次弯曲食指、中指、无名指和小指，动作十分灵活。

为了展示其实用性，团队还将这只手固定在机械臂上，成功地让它围绕一个泡沫小球实现了保形抓握，并将其稳稳地从桌上提起。

这一系列从算法设计到功能实现的完整演示，将这项技术的潜力推向了高潮。它不仅仅是一种新的制造方法，更是一套集设计、路径规划、材料打印于一体的自动化工作流程，能够将复杂的仿生设计快速转化为功能强大的实体机器人。

总而言之，哈佛大学团队的这项工作，通过将旋转多材料3D打印与算法路径规划相结合，极大地拓展了软体机器人的设计和制造边界，为未来开发更复杂、更智能、更能适应环境的软体机器人铺平了道路。

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把两种性能完全不同的金属无缝融合到同一个零件里，会碰撞出怎样的火花？比如一半用耐腐蚀性强的不锈钢，一半用耐高温的镍合金，这样造出来的航空发动机零件，既能扛住燃料的腐蚀，又能承受上千度的高温，简直是工业界的“超级英雄”。

近日，哈尔滨工程大学烟台研究院报道了一则研究成果，由该院杨守峰教授团队的在读博士生李琳以第一作者，在机械工程领域顶级期刊《国际机床与制造杂志》（International Journal of Machine Tools and Manufacture）上发表了题为“基于无级变速传动（CVT）启发的层内粉末沉积梯度策略实现微喷嘴控制激光粉末床熔化中异质界面的均匀化”（Achieving heterogeneous interface uniformity in micronozzle-controlled laser powder bed fusion via Continuously Variable Transmission-inspired in-layer gradients of powder deposition）的研究论文。

该文章提出了一种层内粉末沉积梯度调控策略，成功实现了多材料激光粉末床熔融（LPBF）中异质界面的连续均匀过渡，为高性能多材料增材制造提供了新范式。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2026.104384

 从汽车变速箱里借来的“金点子”

我们平时说的3D打印金属零件，大多是用同一种金属粉末一层层“堆”出来的，两种金属材料合在一起会产生“异质界面过渡难题”。传统的方法要么是提前把两种粉末混在一起，要么是两种粉末各占半边直接拼起来。前者没法精准均匀控制两种金属含量；后者中间的接缝处很容易裂开，而且性能会突然“跳崖”，受力的时候特别容易断。

图1 受CVT启发的粉末沉积策略示意图，该策略用于在多材料LPBF中制备光滑连续的水平梯度界面。该概念通过对接两种不同材料的互补厚度梯度，实现了单层粉末内的成分过渡，与传统界面设计相比，能够实现不同材料之间更光滑、更连续的过渡。

团队研究的灵感，来自汽车里的无级变速器（CVT）。开过CVT变速箱汽车的人都知道，这种变速箱换挡的时候特别平顺，不会像传统变速箱那样有顿挫感，因为它的传动比是连续变化的，而不是一跳一跳的。

“既然变速箱能实现动力的连续过渡，我们为啥不能让金属粉末也实现连续过渡呢？”论文第一完成人、哈工程在读博士生李琳顺着这个思路想，发明了一种“CVT型界面”设计策略，操作起来原理特别巧妙：

可以把打印用的粉末层想象成一块双拼蛋糕，左边铺316L不锈钢粉末，右边铺IN718镍基高温合金粉末。左边不锈钢铺得厚，越往右越薄；右边镍合金铺得厚，越往左越薄，两种粉末的厚度刚好形成互补的斜坡，严丝合缝地拼在一起。

这样打印出来的零件，成分是从不锈钢慢慢过渡到镍合金的，没有生硬的分界线。而且整个过程不需要提前把粉末混在一起，完美避开了混粉不均匀的问题，粉末利用率还能达到90%以上，既环保又省钱。

 打印结果怎么样？

为了验证这个方法好不好用，团队做了大量的实验，结果比预期的还要好：

性能过渡丝滑不“卡顿”

从不锈钢侧到镍合金侧，强度是慢慢升高的，就像坐扶梯上楼一样平稳，不会像以前那样突然“跳级”，大大降低了因为应力集中导致零件断裂的风险。

微观组织更均匀

当把不锈钢粉末铺在镍合金粉末上面时，冷却速度特别快，能让金属晶粒变得更细更均匀，就像揉面揉得越匀，蒸出来的馒头越筋道一样，零件的整体性能也更好。

界面强度大幅提升

经过测试，用这种方法做出来的零件，界面的抗剪切能力比传统方法高很多，就算受到很大的外力，也不容易从两种材料的接缝处断开。

研究团队表示，这个方法不仅能用在激光粉末床熔融这种3D打印技术上，还能推广到其他多种多材料3D打印工艺里，未来甚至可以实现陶瓷和金属、高熵合金等更多种材料的无缝融合。

图2 三种结构CVT界面的显微硬度分布曲线

 有什么应用场景？

这项技术适应多种应用场景：

航空航天领域

可以用来制造航空发动机的叶片、火箭的燃烧室等关键零件，一半耐高温，一半抗腐蚀，重量还能减轻不少，能让飞机飞得更远、火箭运得更多。

核工业领域

核反应堆里的零件需要同时扛住辐射、高温和腐蚀，用这种方法做出来的零件，使用寿命能延长好几倍。

医疗领域

可以用来制造个性化的人体植入物，比如接骨用的钢板，一半用和骨头弹性接近的材料，一半用高强度材料，既能和人体更好地兼容，又能保证足够的强度。

图3 三维多材料编制结构，实现多材料新结构的创意设计和制造，赋予新功能、高性能

深入了解该研究请前往：
论文引用

Lin Li, Qimin Shi, Mingjie Xin, Zhongyi Zhang, Han Yu, Shoufeng Yang,Achieving heterogeneous interface uniformity in micronozzle-controlled laser powder bed fusion via continuously variable transmission-inspired in-layer gradients of powder deposition,International Journal of Machine Tools and Manufacture,Volume 217,2026,104384,ISSN 0890-6955,https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2026.104384.

本文来源：哈尔滨工程大学烟台研究院

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3D打印点阵超材料因其轻质、高强和优异的能量吸收特性而备受关注。然而，传统的体心立方（BCC）和面心立方（FCC）等点阵结构普遍存在节点处应力严重集中的固有缺陷，限制了其力学性能的进一步提升。

受纸莎草茎秆独特的三角棱柱形态启发，香港城市大学吕坚院士团队与北京科技大学毛新平院士团队在一项联合研究中提出了一种普适性的几何驱动仿生设计策略，在保持结构各向同性和轻质特性的同时，成功将应力从节点重新分布至支柱。

以316L不锈钢为模型材料，该策略相较于传统点阵结构，实现了能量吸收提升32%、压缩强度提高63%、比模量增加59%的显著效果。原位压缩实验和有限元模拟表明，该仿生设计通过抑制应变局部化、促进点阵胞元均匀参与变形，从根本上改变了材料的变形模式，从而延迟了早期失效并优化了载荷传递效率。微观结构分析进一步证实了从节点到支柱的显著应变重分布，支持了更均匀的变形过程。

这项研究建立了一种可推广的仿生设计原则，为开发应用于先进结构和可持续工程领域的高性能点阵超材料提供了新路径。

文章题目：

Papyrus-inspired 3D printed stainless steel-based lattice metamaterials with architected stress redistribution for superior mechanical performance

出版信息：Adv. Powder Mater. 5 (2026) 100409.

第一作者：黄禹赫，贺喜，李干

通信作者：黄禹赫，吕坚，毛新平

 01 研究背景

航空航天、交通运输和能源等领域对兼具高强度与高效能量吸收的轻质结构材料需求日益迫切。增材制造，特别是激光粉末床熔融（L-PBF）技术的快速发展，为点阵超材料的精密制造带来了革命性变化。BCC和FCC作为最具代表性的点阵结构，因其优异的力学性能、可加工性和各向同性而被广泛研究。然而，它们也面临着节点处的应力集中。这常导致构件过早失效，严重制约了其在实际应用中的性能发挥。现有优化策略，如改变支柱几何形状、调整单胞构型或设计梯度结构，虽有一定改善，但往往以牺牲结构各向同性为代价。因此，如何在不破坏结构对称性的前提下，实现应力分布的协调优化，成为提升点阵超材料综合力学性能的关键科学问题。

 02 创新点

1.普适性的仿生设计策略：首次将纸莎草茎秆的三角棱柱形态特征引入点阵结构设计中，将支柱截面从圆形转变为多边形，创造了一种不依赖于特定材料、可适用于BCC和FCC等多种拓扑结构的普适性设计策略。

2.颠覆性的应力重分布机制：通过精巧的几何设计，成功将传统点阵结构中集中于节点的应力有效地重新分布到支柱上，并重新定向应力矢量，使其与加载方向平行，最大化地利用了材料的承载潜力。

3.多尺度的性能验证与机理揭示：结合宏观力学测试、原位压缩数字图像相关（DIC）、有限元模拟（FEM）和微观结构表征（EBSD、TEM），从宏观变形模式到微观位错、孪生行为，系统地揭示了仿生结构通过促进均匀变形、诱发高密度形变孪晶和Lomer-Cottrell锁等机制，实现力学性能协同提升的内在机理。

 03 文章概述

本研究通过“自然灵感-结构设计-先进制造-性能验证-机理揭示”的全链条研究范式，系统阐述了仿生点阵超材料的卓越性能及其内在机理。具体研究内容分为以下四个部分：

1.设计灵感与结构制造

研究团队首先从自然界中寻找解决应力集中的“钥匙”。通过对纸莎草茎秆进行显微CT扫描与三维重构（图1a-d），发现其独特的三角棱柱形貌，这成为颠覆传统圆形支柱截面的灵感来源。基于此，团队设计了仿生体心立方（BI-BCC）和仿生面心立方（BI-FCC）结构。利用激光粉末床熔融（L-PBF）技术，成功制备了高精度（打印偏差<63 μm）、高致密度（相对密度>99.96%）的316L不锈钢点阵样品（图1g-h）。这证实了该仿生设计策略与先进增材制造技术的完美兼容性。

图1. 受纸莎草启发的点阵超材料设计策略。(a) 纸莎草植物照片；(b) 纸莎草茎秆显微CT三维重构图像；(c) 茎秆横截面CT图像及局部放大图；(d) 从纸莎草三角棱柱形态到BCC和FCC点阵结构仿生设计的演变示意图；(e) 仿生BCC（BI-BCC）单胞结构示意图；(f) 仿生FCC（BI-FCC）单胞结构示意图；(g) BCC、BI-BCC、FCC及BI-FCC四种点阵超材料的光学照片；(h) 四种点阵超材料的显微CT三维重构图像

2.宏观力学性能的协同提升

准静态压缩测试结果表明，仿生设计显著提升了点阵结构的关键力学指标（图2a-e）：BI-BCC结构：相比于传统BCC结构，能量吸收效率提升32%，弹性模量提升59%，平台应力（压缩强度）提升63%。BI-FCC结构：相比于传统FCC结构，能量吸收效率提升33%，弹性模量提升15%，平台应力提升46%。这一结果表明，仿生设计实现了强度、刚度与能量吸收的协同优化，突破了传统点阵结构的性能瓶颈。

图2. 点阵超材料的力学性能。(a) BCC与BI-BCC (a) 以及FCC与BI-FCC (b) 的典型压缩应力-应变曲线；(c-e) 点阵超材料的比能量吸收 (c)、弹性模量 (d) 和平台应力 (e) 对比；(f)四种点阵超材料的原位压缩图像；(g) 沿加载方向的应变分布DIC结果

3.从“逐层失效”到“均匀变形”的转变

为揭示性能提升的原因，团队开展了原位压缩与有限元模拟研究。变形模式转变（图2f-g）： 原位压缩图像和数字图像相关（DIC）分析显示，传统BCC/FCC结构呈现典型的“逐层失效”模式（应变集中于端部），而仿生BI-BCC/BI-FCC结构则实现了更理想的“均匀变形”模式（应变分布均匀）。应力重分布（图3）： 有限元模拟揭示了根本原因。在传统结构中，应力（Von Mises应力）高度集中在节点处（约100 MPa），支柱承载不足（图3a-b, e-f）。而在仿生结构中，应力被成功从节点转移并重新分布到支柱上，且应力矢量与加载方向平行，使更多材料参与承载，平均应力提升了近40%（图3c-d, g-j）。塑性变形机制（图4）： 在塑性变形阶段，仿生结构的支柱因应力重分布而发生更早的相互接触和屈曲，形成有利的载荷传递路径，进一步分散了节点处的应变集中，从而延迟了材料的局部失效。

图3. 四种点阵超材料的弹性阶段有限元模拟。(a-d) BCC (a)、FCC (b)、BI-BCC (c) 和 BI-FCC (d) 单胞的弹性阶段有限元模拟；(e, f) 沿BCC与BI-BCC (e) 以及FCC与BI-FCC (f) 单胞对角线提取的Von Mises应力-归一化距离曲线；(g-j) BCC (g)、BI-BCC (h)、FCC (i) 和 BI-FCC (j) 多层点阵结构的弹性阶段有限元模拟及Von Mises应力统计图

图4. 四种点阵超材料的塑性阶段有限元模拟。(a, d, g, j) BCC (a)、BI-BCC (d)、FCC (g) 和 BI-FCC (j) 点阵超材料的压缩应力-应变曲线；(b, c, e, f, h, i, k, l) 30%应变下的应力与应变分布云图及沿单胞对角线的归一化距离曲线：BCC与BI-BCC的Von Mises应力分布 (b) 与归一化距离曲线 (c)、等效塑性应变分布 (e) 与归一化距离曲线 (f)；FCC与BI-FCC的Von Mises应力分布(h) 与归一化距离曲线 (i)、等效塑性应变分布 (k) 与归一化距离曲线 (l)

4.微观变形机理的深入揭示

进一步的微观结构表征（EBSD， TEM）揭示了宏观性能提升的物理本质。应变均匀化（图5）： 电子背散射衍射（EBSD）及几何必要位错（GND）分析显示，仿生BI-BCC结构的节点和支柱均承受了相当的应变（图5a-b），而传统BCC结构的应变则高度集中于节点，支柱几乎未参与变形。变形机制差异（图5c-e， 图6）： 透射电子显微镜（TEM）观察发现，在高度应变的传统BCC节点区域，高密度的形变孪晶和层错相互作用，诱发了脆性的α′-马氏体相变（图5c-e），易引发早期裂纹。相比之下，仿生BI-BCC结构的节点区域展现出更温和的变形机制，形成了大量的Lomer-Cottrell锁和纳米孪晶（图5c， 图6d-f），这既能有效阻碍位错运动提供加工硬化，又能避免脆性相的形成，从而实现了更稳定的塑性流变和更优的损伤容限（图6g）。这一系列微观证据，从原子尺度证实了仿生设计通过“均匀化应变”来提升整体力学性能的科学思想。

图5. 变形节点与支柱的微观结构及应变分布。(a) 变形后BCC与BI-BCC节点及支柱区域的EBSD图像；(b) 对应的几何必要位错分布图，插图为相应的高角环形暗场STEM图像；(c) 变形后BCC与BI-BCC节点及支柱区域的TEM图像；(d)对应的选区电子衍射花样；(e) 高分辨TEM图像，显示BCC与BI-BCC节点及支柱区域的变形特征

图6. 变形BCC与BI-BCC点阵超材料节点的微观结构特征。(a) 变形BCC节点的高角环形暗场STEM图像；(b, c) 更高倍率图像，显示BCC节点内的特征变形组织；(d) 变形BI-BCC节点的高角环形暗场STEM图像；(e, f) 更高倍率图像，突出显示BI-BCC节点内的变形特征；(g) 示意图，展示BCC与BI-BCC点阵结构中高等效塑性应变节点区域变形机制的差异

 04 总结

“他山之石，可以攻玉。”这项研究的灵感，源自研究人员对自然界平凡植物——纸莎草的细致观察。研究人员从中深刻领悟到，生物界历经亿万年进化所形成的最优结构，往往蕴藏着解决工程难题的“密钥”。在研究初期，研究人员仅希望探索改变支柱截面形状对力学性能的影响。然而，正是纸莎草三角棱柱这一独特几何形态所带来的启发，使他们成功将最初的猜想转化为一套具有普适性的设计原则。这一过程让研究人员深刻体会到，跨学科的交叉融合，尤其是从材料科学、力学与仿生学等多维视角审视问题，能够催生意想不到的创新。研究人员相信，这种受自然启发、以应力调控为核心的设计思想，不仅有望为点阵超材料的性能突破提供新思路，也具备推广至更广泛工程结构设计领域的潜力，助力实现轻质高强与功能集成的新飞跃。

论文引用

Yuhe Huang, Xi He, Gan Li, Ruxia Liu, Wenbin Liu, Lei Zhang, Shuo Wang, Hanyang Yu, Zhifang Shi, Ying Li, Xinggang Li, Shuize Wang,Junheng Gao, Haitao Zhao, Qiang Zhu, Jian Lu, Xinping Mao, Papyrus-inspired 3D printed stainless steel-based lattice metamaterials with architected stress redistribution for superior mechanical performance, Adv. Powder Mater. 5 (2026) 100409. https://doi.org/10.1016/j.apmate.2026.100409

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