能源与材料

南航大学提出增材制造新路线，该校首篇一作Science，可实现航天着陆器承载、隔热、减震三位一体｜专访

近日，南京航空航天大学迎来首篇 Science 一作论文，第一作者是南航材料科学与技术学院、江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室顾冬冬教授。

近日，南京航空航天大学迎来首篇 Science 一作论文，第一作者是南航材料科学与技术学院、江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室顾冬冬教授。

图 | 顾冬冬（来源：受访者）

同时他也是南航校友，其博士毕业于该校。顾冬冬告诉 DeepTech，得益于南航不拘一格降人才地选拔青年教授的人事政策，在毕业留校后的第四年，他实现了从讲师到副教授再到教授的职称 “三级跳”。

而今，他再次创造了南航记录。事实上，在中国航空航天领域，有很多像顾冬冬这样潜心科研的航天院校科学家。

航天发射、航空运载时使用的高端装备，其性能很大程度上依赖构件的高性能，而这些高性能金属构件的服役环境极端苛刻，因此对构件选材、制造工艺、性能 & 功能等要求极高。

对于那些难以加工的金属构件，激光增材制造（Laser Additive Manufacturing，LAM）技术可满足其短周期、高精度、高性能制造等需求。

图 | 高性能 / 多功能金属构件 “MSPI-AM” 的跨尺度形性调控机制（来源：受访者）

但是，激光增材制造也面临着一个核心挑战，其逐点逐域的局部成形特性，使得工艺过程和成形性能会涉及到宏观–介观–微观等起码 6 个数量级的大跨尺度形性协调。

在传统增材制造中，一般采用结构设计–材料选择–加工工艺–实现性能的 “串联式路线”。但是，材料、结构和工艺这些因素杂糅起来，会导致耦合规律复杂。因此，在高性能金属构件的制备中，往往需要反复试错才能精确成形。

例如，行星着陆器的 “大底” 部件的传统加工制造，一般要经过多种工艺步骤的不断尝试和耦合，目前仍面临着结构选择和材料选择有限、过程复杂、性能&功能不足等局限。

基于此，顾冬冬革新传统串联式的增材制造路线，并提出 “材料–结构–性能一体化增材制造”（MSPI-AM）的概念，从而实现在复杂整体构件内部，同步实现多材料设计与布局、多层级结构创新与打印，最终可实现相关构件的高性能和多功能。

图 | 材料–结构–性能一体化增材制造（MSPI-AM）的概念及内涵（来源：受访者）

他表示，金属零件可同时满足多种需求，已成为业内的盼望之一：即某个零件能在不同位置、使用不同材料、打印不同结构，最终实现不同功能。例如有的部位能耐热，有的部位能承重，而 MSPI-AM 恰恰可以实现该功能。

据悉，基于 MSPI-AM 策略，可并行设计多种材料、多类新结构和相应的 3D 打印工艺，且具备相互兼容性，可给激光 - 金属的一体化增材制造提供系统性解决方案。

5 月 28 日，相关论文以《材料–结构–性能一体化激光金属增材制造》（
Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing）为题发表在 Science 上，顾冬冬担任第一作者和通讯作者，这也是有着 “国防七子” 之称的南航发表的第一篇 CNS 正刊论文。

图 | 相关论文（来源：Science）

虽然是一个零件，但是不同部位有不同功能

为证明该制造方式的合理性。 “下一代空间探测器着陆器系统的整体化和多功能化发展趋势” 为例，顾冬冬验证了“并行模式” 的金属整体结构 3D 打印的可行性。

为了验证本次方法的合理性，顾冬冬面向下一代空间探测器着陆器系统的发展趋势，就隔热 / 防热、减震抗冲击、空间抗辐射等需求，设计与布局了鳞脚蜗牛壳的层状复合结构、水蜘蛛的水泡构型、多孔蜂窝等仿生结构。

图 | 以下一代空间探测着陆器 “大底” 构件为例，来展示多功能整体构件的 MSPI-AM（来源：受访者）

研究中，该团队设定了一个目标 —— 让未来探测器的着陆器可实现隔热、防热，能减震、抗冲击和抗空间辐射，并从自然界中的昆虫和动植物获得灵感，构想出了空间着陆器的 “大底” 构件。

图 | 参考了鳞脚蜗牛壳、水蜘蛛和蜂窝等三种生物的结构（来源：受访者）

具体来说，顾冬冬主要参考了三种生物的结构，分别是鳞脚蜗牛壳、水蜘蛛和蜂窝。其中，生活在海底热泉附近的鳞脚蜗牛的外壳非常硬，并且是一种层状复合结构，给未来空间着陆器 “大底” 构件布局上这种结构，空间着陆器就能像盔甲一样坚固，此外还可隔热防热。

给空间着陆器 “大底” 设计减震结构时，顾冬冬参考了水蜘蛛的结构，这种蜘蛛会自行在水底造 “房子”，房子外观呈水泡形，“房子” 墙壁由水草和蜘蛛丝连接而成，可承受不同方位和不同流速的水流冲击。

据此，顾冬冬设计了空间着陆器 “大底” 部的减震结构，和水蜘蛛 “房子” 一样，该减震结构中纵横交错着 “蜘蛛丝”，从而可给予空间着陆器减震抗冲击的功能。

空间着陆器 “大底” 的表面设计，参考了蜂窝结构，上面附着一层多孔蜂窝状的高温结构材料，当空间着陆器和大气摩擦时，这种设计可避免引起烧损。

此外，他还基于碳纳米管增强金属基复合材料、陶瓷 / 金属梯度复合材料等材料，实现了仿生多材料整体构件的 MSPI-AM，相关高性能和多功能也可以得以实现。

以铝合金为例，凭借质量轻的优点，它在航空航天领域有着广泛应用。但在该领域，铝合金的熔点并不算高，只有 600 多摄氏度，因此难以在空间着陆器着陆时承受高温。为此，顾冬冬在相关材料中添加了熔点接近 3000 摄氏度的二硼化钛陶瓷，从而提高空间着陆器的耐热性。

（来源：受访者）

在适宜位置打印适宜的材料，为独特功能打印独特的结构

研究中，顾冬冬还定义了 MSPI-AM 的两大特征及其内涵。

MSPI-AM 第一个特征，是 “在适宜的位置打印适宜的材料”。顾冬冬从合金和复合材料内部多相布局、二维和三维梯度多材料布局、材料与器件空间布局等入手，将多材料构件激光增材制造的科学内涵、成形机制与实现途径一一展现。

MSPI-AM 的第二个特征是 “为独特的功能打印独特的结构”。借助该特征，他发现拓扑优化结构、点阵结构、仿生结构增材制造这三种的典型结构创新设计的本质，是分别将优化设计后的材料和孔隙、天然优化的结构、以及最少的材料打印到最合适的位置。

随后，基于上述三种结构创新设计和增材制造，他提出了实现轻量化的、可承载的、可减震吸能的、以及可隔热防热等多功能化的方法、挑战和对策。

图 | MSPI-AM 的特征之一：适宜材料打印至适宜位置（来源：受访者）

概括来说，该研究建立了 MSPI-AM 的跨尺度实现原理和调控方法，包括微观尺度的材料组织与界面调控、介观尺度的粉末激光熔凝和致密化工艺控制、以及宏观尺度的构件结构与性能精确协调。

图 | MSPI-AM 的特征之二：独特结构打印创成独特功能（来源：受访者）

在论文最后，顾冬冬还总结与展望了 MSPI-AM 的未来方向，比如更加数字化的材料创成和结构创新、更具自主决策功能的打印装备、更加智能化的打印过程等。

该研究的最大难点在于将适宜的材料打印到适宜的位置，顾冬冬表示，当前单一材料的 3D 打印已经比较成熟，但多种材料的打印还有较大挑战，同时这也是一个研究热点。

每打印一层材料，都得设计不同的结构。要是打印的材料种类不同，还得调试激光参数和扫描模式等。再比如说，从调控原子尺度的 3D 打印材料显微组织，到打印成肉眼可见的成品零部件，还需考虑打印时的变形和开裂等问题。

图 | 右一为顾冬冬（来源：南京航空航天大学）

为此在实验中，他和团队反复进行多类结构、多种材料的激光 3D 打印实验研究，并开展了热传导实验、抗冲击实验等功能验证，为的是建立高性能 & 多功能金属构件激光增材制造的材料 - 结构 - 工艺 - 性能的内在关联及一体化调控方法。

在同期杂志上，Science 主编以 “跨尺度调控” 为题，就该论文撰写了评论文章，其认为：“这种更为综合的方法将有助于减少制造所需的工序数量，并扩大可用于最终应用零部件的结构类型。”