澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT University）的研究人员创造了首个能漂浮在水中的金属-聚合物开孔混合晶格超材料，解决了多孔金属结构与浮力之间的根本性矛盾。这项研究发表在《先进材料》（Advanced Materials）期刊上，提出了一种将3D打印钛晶格与注入的聚氨酯泡沫相结合的混合结构，实现了低于 1.0 g/cm³ 的骨架密度。该突破之所以重要，是因为它将浮力与外部开孔渗透性的丧失分离开来。
该研究由 RMIT 增材制造中心（RCAM）与巴黎国立工艺学院（CNAM）合作完成，其核心在于重新定义了浸入液体中的多孔结构密度的计算方式。传统晶格结构的密度计算包含所有空隙空间——包括内部通道和与周围环境相连的开放孔隙。这种计算方法在结构浸入水中时就会失效，因为水会轻易渗入这些开放孔隙，增加质量并导致晶格下沉，无论基础材料本身有多轻。这里使用的钛合金 Ti-6Al-4V 固有密度为 4.43 g/cm³，约为水的 4.4 倍。
钛格子立方体的横截面图，分别展示了填充聚氨酯泡沫以增加浮力前后的状态。图片由皇家墨尔本理工大学（RMIT University）的Sara Tan提供。
为了解决这个问题，团队开发了他们称之为"骨架密度"的指标，该指标排除了外部可及的孔隙率，只考虑支柱壁及其内容物的密封质量和体积。通过将可膨胀聚氨酯泡沫注入激光打印钛晶格的中空内部通道，他们密封了这些内部通道，同时保持了外部晶格结构的完全开放。泡沫在支柱内部以 1:9 至 1:12 的比例膨胀，产生密度仅为 0.077 至 0.112 g/cm³ 的闭孔聚氨酯填充物。
浮力测试证实密度阈值
实验数据与实际相符。实测骨架密度比计算机模型预测值高出 7.4% ± 0.6%，在四种晶格变体（内部通道直径 2.5 至 4.0 毫米）中，密度范围为 0.80 至 1.27 g/cm³。骨架密度低于 0.997 g/cm³ 的晶格在淡水中漂浮超过两个月，没有观察到明显的漏气或进水现象。高于该阈值的结构则下沉，与模型的预测完全一致。在单位密度强度方面，混合晶格也优于传统的海洋材料。在约 0.27 g/cm³ 的相同堆积密度下，钛-聚氨酯混合材料的屈服强度为 10.3 MPa，约为高密度聚乙烯密度标度强度的 1.9 倍，316L 不锈钢的 1.5 倍。在取自菲利普港湾（Port Phillip Bay）的天然海水中浸泡两周后，样本质量仅损失 0.15%，屈服强度和抗压强度下降不到 1%。
或许最引人注目的结果与损伤容限有关。团队对漂浮的晶格结构进行可控压缩，并在每个失效阶段检查浮力。这些结构在达到极限抗压强度后、初始节点断裂后，甚至在整层断裂后仍然能够漂浮。随着致密化过程开始，体积压缩将晶格结构物理压实，促使骨架密度超过水的密度，浮力才消失。预测的 4.0 毫米变体的临界浮力阈值约为 26% 工程应变，而致密化过程中测得的应变为 37.2% ± 0.006%。论文还指出，测试的应力状态远高于典型使用条件下的预期值。为了在实际应用中验证可行性，团队制作了一个高 100 毫米、宽 85 毫米的浮标原型，并在湍流海水中进行测试。该浮标在没有任何外部密封或辅助浮力装置的情况下，即使围绕中心轴持续旋转高达 45 度，也能保持稳定漂浮。
项目团队成员包括：皇家墨尔本理工大学的增材制造中心的安德烈·莫洛特尼科夫副教授、马倩特聘教授、米兰·勃兰特特聘教授、乔丹·诺罗尼亚博士和马丁·利里教授。照片由皇家墨尔本理工大学的萨拉·谭提供。
骨架密度框架本身可能被证明与特定的钛-聚氨酯组合同样重要。因为它只取决于固有材料密度和通道几何形状，原则上可适用于其他合金、其他聚合物和其他液体，为将浮力设计到之前被认为会下沉的结构中提供了一条通用的设计规则。
利用空心支柱晶格实现浮力
这项工作的核心——空心支柱晶格结构——最初并非作为浮力概念而诞生。同一个 RMIT 实验室此前在 Ti-6Al-4V 中引入了空心支柱晶格，将两种互补的晶格拓扑结构结合成单一的多拓扑设计。该结构在相近密度下比铸造镁合金 WE54 强度高 50%，其优化目标是载荷分布，而非防止浮选。该工作通过将第二种晶格拓扑结构融入整体结构以重新分配节点处的载荷，解决了长期存在的应力集中问题。
有趣的是，空心支柱结构在每个支柱内部留下了一个空腔体积。在新的浮力研究中，这些空心通道恰好成为聚氨酯泡沫的注入通道，使研究人员能够在保持晶格外部开孔几何结构的同时密封内部体积。换句话说，这种结构架构为浮力解决方案创造了物理前提条件，尽管它当初并非为此而设计。
这项题为"突破水面：浮力金属-聚合物开孔混合晶格超材料"（Breaking the Surface: Buoyant Metal-Polymer Open-Cell Hybrid Lattice Metamaterials）的研究由 Jordan Noronha、Joey Tallon、Raad Omar、Jason Dash、Andrey Molotnikov、Martin Leary、Milan Brandt 和 Ma Qian 共同完成。
来源：中国3D打印网编译文章！
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