仿生设计让铝合金材料更轻更强，吸能效果超群

现代工业对高性能金属部件需求迫切，但传统方法难以同时优化材料微观结构和宏观结构以平衡轻量化、强度与吸能性能。机械超材料（一种人工设计的具有特殊力学性能的结构材料）借助3D打印技术展现出巨大潜力，但其性能提升常依赖材料或结构的单独优化，缺乏协同设计。

为突破这一局限，研究团队提出材料-结构-功能一体化增材制造策略。他们采用激光粉末床熔融（L-PBF，一种常用金属3D打印技术）制备铝基超材料：首先开发了一种不含贵金属或稀土元素的高强韧铝合金，通过添加锆元素诱导L1₂有序Al₃Zr纳米颗粒不均匀析出，形成类似珊瑚真菌熔池结构的异质微观结构——熔池边界为等轴晶，内部为柱状晶，实现了低密度（约2.7g/cm³）、高拉伸强度（360-370MPa）和17-18%延伸率。

在结构设计上，研究团队受英雄鼩鼱（一种能承受自身重量100多倍压力的小型哺乳动物）脊柱结构启发——其脊柱具有独特的拱形形态和纵向“窄-宽 - 窄”分布特征，通过调控形状因子（S）和厚度因子（T），实现了孔隙率和特征尺寸的可调，赋予超材料设计灵活性和结构完整性。

这种材料-结构一体化超材料展现出卓越性能：超轻密度（0.91±0.01g/cm³）、高相对屈服强度（17.0±0.7%）和创纪录的比吸能（39.1±0.7J/g，单位质量材料吸收的能量），性能超越现有多数铝基及其他金属超材料。其核心机制是微观强化（异质晶粒和纳米颗粒强化）与介观结构应力调控（拱形结构分散应力）的跨尺度协同，使材料变形时保持稳定的应力平台，大幅提升吸能效率。

该成果为解决3D打印超材料的性能瓶颈 provides 系统性方案，潜在应用涵盖航空航天（轻量化部件减少碳排放）、汽车安全（高效碰撞吸能盒）和深空探测（缓冲着陆冲击）等领域，为多功能轻量化结构设计提供了普适性蓝图。