多伦多大学工程学研究团队开发出一种兼具轻质与高强度特性的金属复合材料，即使在高温环境下仍能保持优异性能。该材料微观结构受钢筋混凝土启发，采用先进3D金属打印技术制造，在航空航天等高性能工业领域具有应用潜力。

"钢筋广泛应用于建筑行业以提升混凝土结构强度，"《自然-通讯》论文通讯作者Yu Zou教授解释道，"增材制造技术如今让我们能够以金属基复合材料的形式模拟这种结构。这种方法创造了具有前所未有的新材料。"

钢筋启发式设计

铝因其轻质特性常用于航空器制造，而钢则主导地面交通工具领域。在保持强度的同时减轻重量可提升燃油效率，但铝合金通常在高温下性能会衰减。

"温度越高，材料越软，导致其无法满足许多应用场景，"Zou实验室研究员、论文第一作者邵晨威指出。为此，团队创建了一种以钛合金支柱网为骨架（类似混凝土中的钢筋）、外围包裹铝硅镁基体的复合材料。通过选区激光熔化技术，团队可自由控制网格尺寸，"支柱直径最小可达0.2毫米，"邵晨威解释道。基体中嵌入的微观氧化铝和硅颗粒可提供额外增强效果，类似混凝土中的砾石作用。

新型金属基复合材料显微图像，在微观尺度模拟混凝土结构。图片来自多伦多大学。

压力下的强度表现

测试证实该复合材料在宽温域内保持高强度。"室温条件下，最高屈服强度达700兆帕，而传统铝基体通常仅为100-150兆帕，"邵晨威表示，"在500摄氏度高温下，其屈服强度仍保持300-400兆帕，传统铝基体此时仅约5兆帕。这种新型金属复合材料的性能堪比中强度钢，重量却仅为其三分之一。"

共同第一作者陈慧聪领导的计算机模拟揭示了高温下的独特变形机制——增强孪生效应。"该机制使材料在极端高温下仍能保持大部分强度，"陈慧聪强调。Zou教授指出，尽管该材料的产业化尚需时日，但其研发过程凸显了增材制造的优势："传统方法无法实现这种材料制造。虽然目前规模化生产成本较高，但在某些高性能应用场景中物有所值。随着更多企业投资先进制造技术，成本最终会逐步下降。"

新型金属与未来可能

在多伦多大学研究之外，其他团队也在探索提升金属性能的路径。今年10月，麻省理工学院研究团队在S. Mohadeseh Taheri-Mousavi带领下开发出新型铝合金，通过将铝与微量铒、锆、镍、钇和镱元素结合，形成细密稳定的强化颗粒。

上月，美国能源部橡树岭国家实验室测试了专用于高温汽车部件的DuAlumin-3D新型铝合金。研究表明，该材料在激光粉末床熔融工艺中比某些标准铝合金具有更优的抗开裂性，同时保持相近的热性能，有望为增材制造带来更轻量、更高效的部件。