让钛合金晶格材料浮起来！把浮力设计进骨架。 钛合金强度高、耐腐蚀，但密度远高于水。把它制成由细小杆件连接、内部留有大量孔隙的立体框架，可以显著减轻重量。这类材料称为晶格材料。不过，结构变轻了，却未必能浮起来：如果水能自由进入孔隙，仅凭整体密度还不足以判断它能否漂浮。
澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT）增材制造中心马前杰出教授团队近日在Advanced Materials期刊发表了题为Breaking the Surface: Buoyant Metal–Polymer Open–Cell Hybrid Lattice Metamaterials的研究，将3D打印的中空钛合金晶格材料与低密度聚氨酯泡沫结合，实现了外部保持开孔的漂浮结构。研究团队还提出了骨架密度设计框架，让研究者可以根据材料和结构尺寸，提前判断它能否漂浮。这类开孔晶格材料的漂浮能力，由此成为可以预测和调控的设计目标。
整体密度低于水，为何仍会下沉？
计算晶格材料的整体密度时，通常以总质量除以按外形尺寸算出的总体积，其中也包含杆件之间的大量孔隙。这种算法能够反映材料有多轻，但用于判断漂浮时，还需要考虑水能否进入这些孔隙。
开放孔隙入水后会被水占据，不能像密封空腔那样持续排开水。因此，扩大开放孔隙虽然可以降低整体密度，却不一定让结构浮起来。
要实现漂浮，既要减轻重量，也要保留足够的排水空间。哪些孔隙让水通过，哪些空间能够阻止水进入，都会影响最终的漂浮能力。
外部让水通过，内部帮助漂浮
团队此前围绕中空杆金属晶格材料开展了系列研究，探索如何打印薄壁杆件、清除内部残余粉末，以及提高杆件连接处的承载能力。这些工作为漂浮设计奠定了基础。
中空杆件就像细小的金属管，内部通道贯穿杆件及其连接部位。研究人员利用激光粉末床熔融技术——一种金属3D打印方法——制备Ti-6Al-4V中空杆晶格材料，再向内部通道注入可膨胀聚氨酯。聚氨酯在其中发泡、固化，形成含有大量封闭小泡孔的低密度泡沫。
泡沫填在杆件内部，杆件之间的大孔隙仍保持开放。由此，钛合金骨架主要负责承载，内部泡沫帮助排开水、提供浮力，水仍能从骨架之间穿过。整个结构无需包上密封外壳，也无需将外部孔隙全部填满 （图1）。
图1：从可漂浮的钛合金晶格材料到浮标演示件。 上图：中空钛合金骨架内部填充低密度聚氨酯泡沫，杆件之间的开放孔隙允许水流穿过，复合晶格材料实现稳定漂浮。下图：基于这一设计的浮标及其海洋应用示意图，漂浮性能已通过海水容器中的受控水体扰动试验验证。
用骨架密度判断能否漂浮
判断能否漂浮，关键是看真正能够排开水的那部分骨架有多重、占多大体积。
团队提出的骨架密度正是围绕这一点：计算时，不把水能自由进入的外部孔隙算进去，只考虑金属壁和内部泡沫共同组成的骨架。将这部分骨架的总质量除以其总体积，就得到骨架密度。当它低于周围液体的密度时，结构便具备漂浮条件。
这一方法让浮力设计有了明确依据。金属壁厚影响重量和承载能力，内部通道大小决定能容纳多少低密度泡沫，泡沫本身的密度则影响填充后的重量。调整这些参数，就可以协调结构的强度与漂浮能力。
实验中，团队保持金属壁厚和每一格框架的尺寸不变，只改变内部通道直径，制成不同的复合晶格材料，其骨架密度分别低于或高于淡水密度。未填充泡沫的试样因水进入内部通道而全部下沉；填充后，骨架密度低于淡水密度的试样漂浮，高于淡水密度的试样下沉，与设计预测一致。
实际制造也会影响结果。打印时附着的粉末、比设计值略厚的金属壁，都可能增加重量。因此，设计时需要留出足够的浮力余量，避免这些额外重量使原本预计漂浮的结构下沉。
骨架受损后，为何还能漂浮？
内部泡沫的作用不仅体现在结构完整时。压缩试验显示，即使杆件连接处开裂、整层晶格材料断裂，试样仍能漂浮。
这是因为中空钛合金骨架内部填充了聚氨酯泡沫，泡沫中含有大量彼此隔开的封闭小泡孔，并与钛合金内壁紧密结合。骨架局部开裂后，水不会立即灌满整个内部空间，泡沫仍能保留足够的排水体积。因此，金属骨架受损，并不意味着浮力会立即消失。
不过，随着压缩继续，结构逐渐塌陷、压实，能够排开水的体积不断缩小，骨架密度随之升高，试样最终下沉。这说明，漂浮能力既取决于最初的设计，也取决于结构受损后还能保留多少排水空间。
团队进一步制备了高100毫米、宽85毫米的浮标演示件 (图1)。在天然海水容器中的受控水体扰动下，浮标仍保持漂浮，无需外部密封壳体或辅助浮力装置。这一演示将设计方法从规则试样推进到具有实际应用形态的漂浮结构。
这项研究展示了如何通过安排金属、泡沫和孔隙的位置，将承载与浮力融入同一开放结构。骨架密度为判断和设计漂浮能力提供了依据，这一设计原理在理论上也适用于其他金属与合金的中空晶格材料，为开发更多兼具承载能力与浮力的结构提供了思路。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1002/adma.74641
作者：马前 等 来源：《先进材料》
