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來源丨南京航空航天大學(xué)

南京航空航天大學(xué)作為“國防七子”之一，在軍工方面的實(shí)力不用多說。如今，南航發(fā)表了史上第一篇CNS正刊，意味著其在基礎(chǔ)研究和重大成果方面，也實(shí)現(xiàn)了一次“南航”突破！

青塔學(xué)術(shù)注意到，5月28日，南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院顧冬冬教授團(tuán)隊的研究綜述論文以《材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化激光金屬增材制造》（Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing）為題發(fā)表在Science上。

//?變革：材料–結(jié)構(gòu)–工藝–性能一體化“并行模式”

高性能金屬構(gòu)件是航空、航天、交通、能源等現(xiàn)代工業(yè)的基石。高性能金屬構(gòu)件多服役于極端嚴(yán)苛環(huán)境，故對構(gòu)件的選材、制造工藝、性能/功能均提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

激光增材制造（3D打印）技術(shù)是當(dāng)前世界科技強(qiáng)國競相發(fā)展的一項(xiàng)戰(zhàn)略性關(guān)鍵核心技術(shù)。傳統(tǒng)增材制造遵循典型的“串聯(lián)式路線”，即結(jié)構(gòu)設(shè)計–材料選擇–加工工藝–實(shí)現(xiàn)性能；但因材料、結(jié)構(gòu)和工藝等多因素耦合規(guī)律復(fù)雜，激光增材制造精確成形、造成金屬構(gòu)件高性能目標(biāo)實(shí)現(xiàn)困難。

為對應(yīng)上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊提出了“材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化增材制造”（MSPI-AM）這一整體性概念，其概念性創(chuàng)新在于：變革傳統(tǒng)的串聯(lián)式增材制造路線，發(fā)展新的材料–結(jié)構(gòu)–工藝–性能一體化“并行模式”，在復(fù)雜整體構(gòu)件內(nèi)部同步實(shí)現(xiàn)多材料設(shè)計與布局、多層級結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與打印，以主動實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的高性能和多功能。

▲材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化增材制造（MSPI-AM）的概念及內(nèi)涵

//?針對多功能需求進(jìn)行創(chuàng)新

為明晰“材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化增材制造”的科學(xué)內(nèi)涵與技術(shù)途徑，這篇論文面向下一代空間探測器著陸器系統(tǒng)的整體化和多功能化發(fā)展趨勢，針對隔熱/防熱、減震抗沖擊等多功能需求，創(chuàng)新發(fā)展鱗腳蝸牛殼的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)、水蜘蛛的水泡構(gòu)型等仿生結(jié)構(gòu)，并基于陶瓷/金屬梯度復(fù)合材料、碳納米管增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料等多材料設(shè)計與布局，實(shí)現(xiàn)仿生多材料整體構(gòu)件的材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化增材制造及其高性能/多功能。

▲多功能整體構(gòu)件的材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化激光增材制造：以下一代空間探測著陸器“大底”構(gòu)件為例

//?適宜材料打印、獨(dú)特結(jié)構(gòu)打印

這篇文章定義了“材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化增材制造”的兩大特征及其內(nèi)涵。

其一是“適宜材料打印至適宜位置”，從3個復(fù)雜度層級，揭示了多材料構(gòu)件激光增材制造的科學(xué)內(nèi)涵、成形機(jī)制與實(shí)現(xiàn)途徑；其二是“獨(dú)特結(jié)構(gòu)打印創(chuàng)成獨(dú)特功能”，提出了基于三類典型結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計及增材制造實(shí)現(xiàn)輕量化、承載、減震吸能、隔熱防熱等多功能化的原理、方法、挑戰(zhàn)及對策。

▲材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化增材制造的特征之一：適宜材料打印至適宜位置

▲材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化增材制造的特征之二：獨(dú)特結(jié)構(gòu)打印創(chuàng)成獨(dú)特功能

//?跨尺度實(shí)現(xiàn)原理及調(diào)控方法

他們建立了“材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化增材制造”的跨尺度實(shí)現(xiàn)原理及調(diào)控方法，包括微觀尺度的材料組織與界面調(diào)控、介觀尺度的粉末激光熔凝及致密化工藝控制、宏觀尺度的構(gòu)件結(jié)構(gòu)與性能精確協(xié)調(diào)。

該文還進(jìn)一步對“材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化增材制造”未來發(fā)展方向進(jìn)行了總結(jié)與展望，包括更加數(shù)字化的材料創(chuàng)成和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、更加智能化的打印過程、更加綠色可持續(xù)的打印技術(shù)及應(yīng)用等。

▲高性能/多功能金屬構(gòu)件材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化激光增材制造的跨尺度形性調(diào)控機(jī)制

同期Science主編以“跨尺度調(diào)控”為題，對論文做了亮點(diǎn)評述，認(rèn)為“激光增材制造有望變革零部件的設(shè)計方式。顧等人建議將串聯(lián)式設(shè)計和成形構(gòu)件的增材制造策略，變革至更為整體性的方法來優(yōu)化金屬構(gòu)件。這種更為綜合的方法將有助于減少制造所需的工序數(shù)量，并擴(kuò)大可用于最終應(yīng)用零部件的結(jié)構(gòu)類型?！?/span>

//?論文鏈接

https://science.sciencemag.org/content/372/6545/eabg1487

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