客家土楼“骨架-填充”结构启发3D打印高强度纳米多孔铜超材料​

    上海交通大学顾剑锋长聘教授联合皇家墨尔本理工大学马前杰出教授在《Advanced Materials》发表论文“Skeletal High-Strength Nanoporous Copper and Metamaterials: The Hakka Tulou Design Heritage”，从客家土楼“竹木骨架—夯土墙体”的独特结构中获得灵感，提出“骨架型”纳米多孔铜的设计理念。研究通过凝固偏析与选择性去合金工艺，构建出不可去合金化骨架与可去合金化基体相结合的多尺度结构，有效提升了材料的整体强韧性与功能集成能力。该策略突破了传统去合金技术在尺寸与完整性上的限制，为开发兼具高强度、轻质性与多功能性的纳米多孔金属超材料提供了新思路。

          纳米多孔结构金属因连通的纳米孔道而具备高比表面积与多功能潜力，但力学承载能力弱与结构完整性不足长期制约其工程应用。本研究从客家土楼“竹木骨架—夯土墙体”的长期耐久性汲取启发，提出在可去合金化基体中内嵌一套不可去合金化、延展且强韧的三维骨架相，将多孔结构“分舱化”，把局部失效局域化，在保持结构功能孔隙优势的同时改善整体承载与完整性。
图1揭示了骨架型高强纳米多孔铜超材料的启示来源。借助“骨架相—主体相”的空间协同，把传统建筑中的“骨架支撑/填充分舱”思想，转译为纳米多孔铜的双相前驱体设计：去合金化后获得“骨架支撑 + 纳米孔道”的复合架构，实现功能孔隙与承载路径的解耦与互补。a图展示了典型客家土楼；b图是客家土楼的微小单元剖面示意，进一步刻画土楼墙体：骨架框架嵌入压实而仍含孔隙的土体；c图将建筑原理映射到材料微结构。

 

图2展示了去合金后的“土楼式”三维微结构。a图是通过2500张FIB-SEM图像重构得到的三维体，黄虚线代表不可去合金化的富Cu骨架相，展示了其在微米尺度上的三维互连特征。b–d分别是该立方体的左侧、后侧和底部表面切片的显微结构视图，进一步证明了骨架相将纳米多孔铜基体分隔为类似“分舱”的结构。
 

图3描述了骨架的纳米多孔铜结构与无骨架的纳米多孔铜力学结构在力学性能上的对比关系。a图对比了两类纳米多孔铜结构的压缩应力–应变曲线，带骨架的曲线明显更“高”，其屈服点和峰值强度均显著高于无骨架样品，说明骨架在承载中发挥了“承重墙”的作用。b图进一步给出了两类纳米多孔铜的力学指标对比，其中骨架纳米多孔铜的屈服强度达到200.4±21.1 MPa，相比无骨架样品提升了62%；其峰值强度达到239.3±35.0 MPa，提升幅度高达70%；而比强度则提升了60%，达到60.7±6.5 MPa·cm³·g⁻¹。这些具体数值的对照，充分揭示了骨架设计带来的显著优势。c–d 图则扩展到与已有的其他纳米多孔金属进行横向比较，可以清晰看到，骨架纳米多孔铜不仅在强度参数上远超传统的纳米多孔铜材料，而且性能还优于一些已经经过特殊结构设计与优化的多孔体系。同时，研究团队还利用摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术（microArch® S240，精度：10μm）制备出多孔聚合物拓扑结构，研究骨架对裂纹扩展的影响（图5）。
 

图5呈现了骨架纳米多孔铜在宏观点阵结构中的力学性能优势。a图给出了样品的CAD设计图和实际制备后的实物照片，可以看到通过增材制造与选择性去合金工艺相结合，研究团队成功构筑了带有骨架–纳米孔层级结构的点阵结构。局部放大的显微图进一步揭示了骨架相与纳米韧带共同存在的层级特征。c–d图对比了两类点阵在单轴压缩下的应力–应变响应。尽管两者在变形模式上类似，但带骨架点阵的强度表现出显著优势，其屈服强度比对照点阵高出2.4–3.1 倍，说明骨架在提升宏观承载能力方面发挥了关键作用。e图进一步总结了各类点阵的强度差异，其中由骨架纳米多孔铜构成的正方形蜂窝点阵表现尤为突出，其强度不仅比理论模型高出800%，比强度更是超过了对应的致密 Cu–Mn合金。
 

图6进一步揭示了骨架纳米多孔铜点阵在力学性能上的“越界表现”。 这幅图将实验结果与经典的Gibson–Ashby模型 进行了对比。该模型是评价多孔金属力学性能的经验标度关系，预测屈服强度与相对密度成线性关系，大多数传统金属点阵结构（包括对照点阵）都落在这条曲线或其下方。然而，从图中可以清楚看到，骨架纳米多孔铜点阵的数据点远远高于理论曲线。这意味着，它的强度–密度关系已经突破了传统规律，不再受限于“孔隙率升高会导致强度下降”的固有矛盾，而是在保持轻质的同时依旧获得了超常的高强度。
 

总结：本研究以“客家土楼”的建筑理念为灵感，提出并实现了一种全新的骨架纳米多孔铜设计。 研究团队通过增材制造结合选择性去合金化工艺，在材料内部同时构筑了不可去合金化的富Cu骨架与纳米多孔基体，形成了独特的“骨架–分舱”层级结构。系统表征结果表明，这种结构能够有效抑制韧带粗化、显著提升材料的承载能力。实验测试显示，骨架纳米多孔铜的屈服强度和峰值强度分别比无骨架结构提升62%和70%，比强度超过60 MPa·cm³·g⁻¹，性能不仅优于传统纳米多孔金属，也超越了部分经过特殊设计的多孔体系。进一步在点阵尺度的验证中，骨架纳米多孔铜点阵的强度较对照组提高了2.4–3.1倍，甚至突破了Gibson–Ashby模型的经验极限，实现了轻质、高强、多功能兼得。这一成果不仅解决了纳米多孔金属“高孔隙率–低强度”的长期难题，也为开发兼具功能性与结构承载能力的新型轻质材料提供了新思路。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202503701