2026年1月1日，来自弗吉尼亚理工大学的材料科学与工程系的余航副教授开发了一种强度高、无缺陷的材料，在应力作用下能够发生相变以耗散能量，并且可以以全致密状态进行批量3D打印。自麻省理工学院博士后时期起，余教授就一直致力于研发一种能够大规模生产且不易碎裂的形状记忆陶瓷材料。如今，他与博士生唐尼·厄布（Donnie Erb）和博士后研究员尼基尔·戈塔瓦拉（Nikhil Gotawala）合作，取得了这项性进展。
余教授的团队利用一种名为增材摩擦搅拌沉积的先进制造技术，将功能性陶瓷颗粒嵌入金属中。其成果是一种强度高、无缺陷的材料，这种材料在应力作用下能够发生相变以耗散能量，并且与通常易碎的陶瓷不同，它可以进行大块3D打印，打印后仍能保持完整的密度，这为国防、基础设施、航空航天乃至高性能运动器材等领域的实际应用开辟了新的可能性。
团队的原创研究成果以题为“Solid-state additivemanufacturing of
shape-memory ceramic reinforced composites”的论文发表在《材料科学与工程 R：报告》上，Erb
是弗吉尼亚理工大学著名的普拉特奖学金获得者，也是这项研究的第一作者。
余教授说：“这种复合材料能够承受拉伸、弯曲、压缩，并通过应力诱导马氏体相变吸收能量。从这个意义上讲，它是多功能的。这使我们能够朝着制造具有实际应用潜力的大型产品迈进。”
△副教授余航（右）与他的实验室成员合影，其中包括尼基尔·戈塔瓦拉（左）和唐尼·厄布（左三），他们与余航共同撰写了一篇发表在《材料科学与工程R：报告》上的论文。照片由余航提供。
脆性陶瓷的新潜力
余教授的团队并非第一个尝试破解形状记忆陶瓷奥秘的团队。形状记忆陶瓷是一种能够响应应力或热量而改变内部结构，并在受力或受热后恢复原状的材料。它们用途广泛，因为无需齿轮或活动部件即可移动或吸收能量——这种特性也见于镍钛合金等金属。但要让陶瓷材料也具备这种特性，却是一个更大的挑战。余说：“我做博士后的时候，我导师的团队在《科学》杂志上发表了一篇论文，证明如果将这种材料制成微米级，陶瓷的脆性就不是主要问题，而且还能看到形状记忆效应。但是，没有人能找到放大形状记忆陶瓷尺寸的方法，使其能够应用于结构领域。它总是会碎裂。” 余教授解释说，这种新方法是将微小的形状记忆陶瓷颗粒嵌入金属中，“就像把巧克力碎块放进饼干面团里一样”。然后将混合物送入增材摩擦搅拌沉积机，这是一种先进的制造设备，它能使原材料高速旋转，从而使它们在不熔化的情况下融合在一起。最终得到的复合金属中含有均匀分布的陶瓷颗粒，这些颗粒可以移动而不会破坏整体结构。
△加工过程示意图
余说：“这项研究首次利用可扩展的固态 3D 打印工艺制造出块状形状记忆陶瓷-金属基复合材料。”
更智能的应用
通过首次在可见的、大块尺度上展示应力诱导相变，这种新材料可能会弥合学术创新与工业实际应用之间的差距，例如在国防系统、航空航天、基础设施甚至体育用品中进行振动阻尼或冲击吸收。例如，将陶瓷嵌入金属中可以用于高尔夫球杆的杆身，以减少振动并保持轻量化。厄布说道：“这种复合材料为一种原本就适用于特定用途的金属增添了新的功能。如果我们成功制造出来，总会有人发现它的一些有趣用途。人们已经证明这种材料在微米级尺寸下也能发挥作用。我们现在想说的是，‘现在你可以随心所欲地使用它了。’我们已经实现了它在更广阔的尺度上的应用。”
先进制造业增长
这项新研究凸显了弗吉尼亚理工大学作为先进制造研究重镇的地位。余教授是弗吉尼亚理工大学先进制造中心（Made:
The Center for Advanced
Manufacturing）的成员，他此前曾获得美国国家科学基金会和美国陆军研究实验室的资助，致力于增材摩擦搅拌沉积技术的应用研究。
余教授说道：“这种复合材料非常有趣，陶瓷的形状记忆功能是我从博士后时期就开始研究的。现在我主要以增材摩擦搅拌沉积技术而闻名。现在我可以将这两个兴趣结合起来，开发一些新的关键应用，这非常令人兴奋。”
来源：南极熊
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