3D打印钛点阵注入聚氨酯泡沫，实现金属超材料水上漂浮

澳大利亚的RMIT大学，也就是皇家墨尔本理工大学，和法国巴黎国立工艺与技术学院合作，做出了一个可以在水上漂浮的3D打印钛点阵结构。 这种金属和聚氨酯泡沫的混合点阵，是首个能在水中漂浮的金属聚合物开孔混合点阵超材料，也是第一次被记录在案的可漂浮金属混合点阵超材料。 它把3D打印的钛点阵和注入的聚氨酯泡沫组合在一起，让骨架密度降到了1.0克每立方厘米以下。

这种结构的支柱是中空的，互相连通，里面填了聚氨酯泡沫。 水可以从点阵中间穿过，但支柱是密封的，所以整体能浮起来。 即使被严重损坏，它也照样能浮在水面上。

这项研究在RMIT增材制造中心（RCAM）开展，合作方是巴黎国立工艺与技术学院（CNAM）。 它解决了多孔金属架构与浮力之间的根本性不兼容问题，论文发表在《先进材料》期刊上。

为什么多孔金属难浮起来，答案在密度的算法里。 传统算法计算点阵密度时，会把所有空隙体积都算进去，包括内部通道和连通周围环境的开孔。 这种计算在结构浸没进液体的瞬间就不再成立，因为水会迅速渗进开孔，增加质量，让点阵下沉。 这里的钛合金Ti-6Al-4V固有密度是4.43克每立方厘米，大约是水的4.4倍。 如果按传统方法，无论如何都很难浮起来。

皇家墨尔本理工大学增材制造中心的首席研究员乔丹·诺罗尼亚（Jordan Noronha）解释，金属点阵可以做得非常轻，密度不到水的十分之一。 但它们的开放空间是连通的，水会灌进去，结果就沉了。

团队绕开了这个障碍，他们提出一个叫「骨架密度」的指标。 这个指标排除外部可及的孔隙率，只算支柱壁以及内部密封内容的体积和质量。 诺罗尼亚说，这就给工程师提供一个很简单的设计规则。 只要骨架密度比周围液体密度低，结构就会浮起来，哪怕水从所有外部开口流过也一样。

他们把可膨胀聚氨酯泡沫注入激光打印钛点阵的中空内部通道，泡沫在支柱里膨胀到原始体积的1比9到1比12，形成密度只有0.077到0.112克每立方厘米的闭孔聚氨酯填充物。 这样一来，内部通道被密封住，外部点阵几何结构仍然对外开放。 浮力和开孔渗透性被成功解耦了。 诺罗尼亚说，只要在空心钛支柱里填聚氨酯泡沫，就能让水流过点阵，同时结构在严重开裂、受损后还能保持浮力。 泡沫里那些微小的密封腔室会锁住气体，不让水灌进空心支柱。

数据在实践里也得到了验证。

四种内部通道直径从2.5毫米到4.0毫米的点阵变体，实测骨架密度范围在0.80到1.27克每立方厘米之间。 实验值比计算机模型预测值平均高7.4%，上下浮动0.6%。

骨架密度低于0.997克每立方厘米的样品，在淡水中漂浮了超过两个月，没有可见的空气泄漏或水渗入。 高于这个阈值的样品会沉下去，和框架预测完全一致。

在同等体积密度下，这种混合点阵的强度也比传统海洋材料更好。 当体积密度匹配到约0.27克每立方厘米时，钛聚氨酯混合材料的屈服强度为10.3兆帕。 这个数值约为高密度聚乙烯密度换算强度的1.9倍，也是316L不锈钢的1.5倍。

团队还把它放进取自菲利普港湾的天然海水里泡了两周，样品只损失0.15%的质量，屈服强度和抗压强度下降不到1%。

最引人注目的结果出现在损伤容限测试里。

团队对漂浮点阵施加受控压缩，结果发现它在达到极限抗压强度之后，初始节点断裂之后，甚至整个一层都断裂之后，仍然继续漂浮。 直到压缩进入致密化阶段，体积被压实到骨架密度超过水的密度，浮力才消失。 对4.0毫米变体，论文预测的临界浮力阈值大约在26%工程应变，而实际测得的致密化应变是37.2%，误差0.006%。 测试用的应力状态明显高于典型服役条件下的预期值。

为了看实际可行性，他们做了个高100毫米、宽85毫米的浮标原型。 在湍流条件下的海水里，即使它绕中心轴持续旋转达到45度，依然能稳定漂浮，不需要任何外部密封或辅助浮力装置。

骨架密度框架本身可能比这个钛聚氨酯组合更值得关注。

因为这个框架只取决于材料的固有密度和通道几何形状，原则上适用于其他合金、其他聚合物和其他液体。 这等于给那些原本被认为必然下沉的结构，提供了一种工程化浮力的通用设计规则。 换个角度看，浮力在这里变成了一种可以设计的结构属性，而不是材料的天然属性。

这项工作的核心，那个中空支柱点阵架构，最初并不是为了浮力设计的。 同一个RMIT实验室之前推出过Ti-6Al-4V中空支柱点阵，把两种互补的拓扑结构放在一个多拓扑设计里。 在相近密度下，它比铸造镁合金WE54的强度高50%，原本是为了优化载荷分布，解决节点处的应力集中问题。

但中空支柱在每个支柱里留下空腔，这次正好成了聚氨酯泡沫的注入路径。 泡沫把内部体积封住，外部开孔几何结构还保持完整。 这样，结构架构的早期设计，为浮力解决方案铺好了物理前提，尽管它当初并没有朝这个方向想。

论文标题叫《打破表面，浮力金属-聚合物开孔混合点阵超材料》，发表在《先进材料》期刊上。

作者包括Jordan Noronha（乔丹·诺伦哈）、Joey Tallon（乔伊·塔隆）、Raad Omar（拉德·奥马尔）、Jason Dash（杰森·达什）、Andrey Molotnikov（安德烈·莫洛特尼科夫）、Martin Leary（马丁·利里）、Milan Brandt（米兰·布兰特）和Ma Qian（马谦）。

项目负责人、杰出教授马谦说，团队下一步会放大部件尺寸，然后去测长期海洋和深海性能。 他说，如果把钛框架内部填充的材料换掉，就能定制出类似的结构，用在能量吸收、热管理、振动控制这些方向上。