南航大學(xué)為獨特功能打印獨特的結(jié)構(gòu)

近日，南京航空航天大學(xué)迎來首篇 Science 一作論文，第一作者是南航材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院、江蘇省高性能金屬構(gòu)件激光增材制造工程實驗室顧冬冬教授。

同時他也是南航校友，其博士畢業(yè)于該校。顧冬冬告訴 DeepTech，得益于南航不拘一格降人才地選拔青年教授的人事政策，在畢業(yè)留校后的第四年，他實現(xiàn)了從講師到副教授再到教授的職稱 “三級跳”。

而今，他再次創(chuàng)造了南航記錄。事實上，在中國航空航天領(lǐng)域，有很多像顧冬冬這樣潛心科研的航天院?？茖W(xué)家。

航天發(fā)射、航空運載時使用的高端裝備，其性能很大程度上依賴構(gòu)件的高性能，而這些高性能金屬構(gòu)件的服役環(huán)境極端苛刻，因此對構(gòu)件選材、制造工藝、性能 & 功能等要求極高。

對于那些難以加工的金屬構(gòu)件，激光增材制造（Laser Additive Manufacturing，LAM）技術(shù)可滿足其短周期、高精度、高性能制造等需求。

但是，激光增材制造也面臨著一個核心挑戰(zhàn)，其逐點逐域的局部成形特性，使得工藝過程和成形性能會涉及到宏觀–介觀–微觀等起碼 6 個數(shù)量級的大跨尺度形性協(xié)調(diào)。

在傳統(tǒng)增材制造中，一般采用結(jié)構(gòu)設(shè)計–材料選擇–加工工藝–實現(xiàn)性能的 “串聯(lián)式路線”。但是，材料、結(jié)構(gòu)和工藝這些因素雜糅起來，會導(dǎo)致耦合規(guī)律復(fù)雜。因此，在高性能金屬構(gòu)件的制備中，往往需要反復(fù)試錯才能精確成形。

例如，行星著陸器的 “大底” 部件的傳統(tǒng)加工制造，一般要經(jīng)過多種工藝步驟的不斷嘗試和耦合，目前仍面臨著結(jié)構(gòu)選擇和材料選擇有限、過程復(fù)雜、性能&功能不足等局限。

基于此，顧冬冬革新傳統(tǒng)串聯(lián)式的增材制造路線，并提出 “材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化增材制造”（MSPI-AM）的概念，從而實現(xiàn)在復(fù)雜整體構(gòu)件內(nèi)部，同步實現(xiàn)多材料設(shè)計與布局、多層級結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與打印，最終可實現(xiàn)相關(guān)構(gòu)件的高性能和多功能。

他表示，金屬零件可同時滿足多種需求，已成為業(yè)內(nèi)的盼望之一：即某個零件能在不同位置、使用不同材料、打印不同結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)不同功能。例如有的部位能耐熱，有的部位能承重，而 MSPI-AM 恰恰可以實現(xiàn)該功能。

據(jù)悉，基于 MSPI-AM 策略，可并行設(shè)計多種材料、多類新結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的 3D 打印工藝，且具備相互兼容性，可給激光 - 金屬的一體化增材制造提供系統(tǒng)性解決方案。

5 月 28 日，相關(guān)論文以《材料–結(jié)構(gòu)–性能一體化激光金屬增材制造》（Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing）為題發(fā)表在 Science 上，顧冬冬擔(dān)任第一作者和通訊作者，這也是有著 “國防七子” 之稱的南航發(fā)表的第一篇 CNS 正刊論文。

雖然是一個零件，但是不同部位有不同功能

為證明該制造方式的合理性。 “下一代空間探測器著陸器系統(tǒng)的整體化和多功能化發(fā)展趨勢” 為例，顧冬冬驗證了“并行模式” 的金屬整體結(jié)構(gòu) 3D 打印的可行性。

為了驗證本次方法的合理性，顧冬冬面向下一代空間探測器著陸器系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，就隔熱 / 防熱、減震抗沖擊、空間抗輻射等需求，設(shè)計與布局了鱗腳蝸牛殼的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)、水蜘蛛的水泡構(gòu)型、多孔蜂窩等仿生結(jié)構(gòu)。

研究中，該團隊設(shè)定了一個目標(biāo) —— 讓未來探測器的著陸器可實現(xiàn)隔熱、防熱，能減震、抗沖擊和抗空間輻射，并從自然界中的昆蟲和動植物獲得靈感，構(gòu)想出了空間著陸器的 “大底” 構(gòu)件。

具體來說，顧冬冬主要參考了三種生物的結(jié)構(gòu)，分別是鱗腳蝸牛殼、水蜘蛛和蜂窩。其中，生活在海底熱泉附近的鱗腳蝸牛的外殼非常硬，并且是一種層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)，給未來空間著陸器 “大底” 構(gòu)件布局上這種結(jié)構(gòu)，空間著陸器就能像盔甲一樣堅固，此外還可隔熱防熱。

給空間著陸器 “大底” 設(shè)計減震結(jié)構(gòu)時，顧冬冬參考了水蜘蛛的結(jié)構(gòu)，這種蜘蛛會自行在水底造 “房子”，房子外觀呈水泡形，“房子” 墻壁由水草和蜘蛛絲連接而成，可承受不同方位和不同流速的水流沖擊。

據(jù)此，顧冬冬設(shè)計了空間著陸器 “大底” 部的減震結(jié)構(gòu)，和水蜘蛛 “房子” 一樣，該減震結(jié)構(gòu)中縱橫交錯著 “蜘蛛絲”，從而可給予空間著陸器減震抗沖擊的功能。

空間著陸器 “大底” 的表面設(shè)計，參考了蜂窩結(jié)構(gòu)，上面附著一層多孔蜂窩狀的高溫結(jié)構(gòu)材料，當(dāng)空間著陸器和大氣摩擦?xí)r，這種設(shè)計可避免引起燒損。

此外，他還基于碳納米管增強金屬基復(fù)合材料、陶瓷 / 金屬梯度復(fù)合材料等材料，實現(xiàn)了仿生多材料整體構(gòu)件的 MSPI-AM，相關(guān)高性能和多功能也可以得以實現(xiàn)。

以鋁合金為例，憑借質(zhì)量輕的優(yōu)點，它在航空航天領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。但在該領(lǐng)域，鋁合金的熔點并不算高，只有 600 多攝氏度，因此難以在空間著陸器著陸時承受高溫。為此，顧冬冬在相關(guān)材料中添加了熔點接近 3000 攝氏度的二硼化鈦陶瓷，從而提高空間著陸器的耐熱性。

在適宜位置打印適宜的材料，為獨特功能打印獨特的結(jié)構(gòu)

研究中，顧冬冬還定義了 MSPI-AM 的兩大特征及其內(nèi)涵。

MSPI-AM 第一個特征，是 “在適宜的位置打印適宜的材料”。顧冬冬從合金和復(fù)合材料內(nèi)部多相布局、二維和三維梯度多材料布局、材料與器件空間布局等入手，將多材料構(gòu)件激光增材制造的科學(xué)內(nèi)涵、成形機制與實現(xiàn)途徑一一展現(xiàn)。

MSPI-AM 的第二個特征是 “為獨特的功能打印獨特的結(jié)構(gòu)”。借助該特征，他發(fā)現(xiàn)拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)、點陣結(jié)構(gòu)、仿生結(jié)構(gòu)增材制造這三種的典型結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計的本質(zhì)，是分別將優(yōu)化設(shè)計后的材料和孔隙、天然優(yōu)化的結(jié)構(gòu)、以及最少的材料打印到最合適的位置。

隨后，基于上述三種結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計和增材制造，他提出了實現(xiàn)輕量化的、可承載的、可減震吸能的、以及可隔熱防熱等多功能化的方法、挑戰(zhàn)和對策。

概括來說，該研究建立了 MSPI-AM 的跨尺度實現(xiàn)原理和調(diào)控方法，包括微觀尺度的材料組織與界面調(diào)控、介觀尺度的粉末激光熔凝和致密化工藝控制、以及宏觀尺度的構(gòu)件結(jié)構(gòu)與性能精確協(xié)調(diào)。

在論文最后，顧冬冬還總結(jié)與展望了 MSPI-AM 的未來方向，比如更加數(shù)字化的材料創(chuàng)成和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、更具自主決策功能的打印裝備、更加智能化的打印過程等。

該研究的最大難點在于將適宜的材料打印到適宜的位置，顧冬冬表示，當(dāng)前單一材料的 3D 打印已經(jīng)比較成熟，但多種材料的打印還有較大挑戰(zhàn)，同時這也是一個研究熱點。

每打印一層材料，都得設(shè)計不同的結(jié)構(gòu)。要是打印的材料種類不同，還得調(diào)試激光參數(shù)和掃描模式等。再比如說，從調(diào)控原子尺度的 3D 打印材料顯微組織，到打印成肉眼可見的成品零部件，還需考慮打印時的變形和開裂等問題。

為此在實驗中，他和團隊反復(fù)進行多類結(jié)構(gòu)、多種材料的激光 3D 打印實驗研究，并開展了熱傳導(dǎo)實驗、抗沖擊實驗等功能驗證，為的是建立高性能 & 多功能金屬構(gòu)件激光增材制造的材料 - 結(jié)構(gòu) - 工藝 - 性能的內(nèi)在關(guān)聯(lián)及一體化調(diào)控方法。

在同期雜志上，Science 主編以 “跨尺度調(diào)控” 為題，就該論文撰寫了評論文章，其認為：“這種更為綜合的方法將有助于減少制造所需的工序數(shù)量，并擴大可用于最終應(yīng)用零部件的結(jié)構(gòu)類型?！?/p>

原文標(biāo)題：南航大學(xué)提出增材制造新路線，該校首篇一作Science，可實現(xiàn)航天著陸器承載、隔熱、減震三位一體｜專訪

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