3D打印產品能擋住900m/s彈丸沖擊？要靠材料和結構結合，鈦合金可能不行！

3D打印技術參考了解到，香港城市大學、麻省理工學院等機構的研究團隊通過結合高精度3D打印工藝、中熵合金材料與結構拓撲優化方法，成功研制出一種新型超材料結構，該結構首次在宏觀尺度材料上實現了接近納米級材料的能量吸收能力。換句話說，這種材料能夠有效抵御初速度高達900m/s的不銹鋼彈丸穿透。

需要著重強調的是，經3D打印技術參考查詢，，這一個層面的防護能力，已經可以覆蓋大部分輕武器（高速穿甲彈除外）所引發的威脅，因而，它為開發國防、航空航天、車輛安全防護結構，提供了嶄新的解決辦法。

材料選擇

在材料選取方面，研究人員選中了CoCrNi中熵合金。當這款材料遭到沖擊時，它輕易就會啟動一系列自我保護機制，沖擊的能量，會讓材料內部依次出現變形孿晶、晶體結構轉變、形成納米非晶帶，而這些微觀組織的變化，會把沖擊能量消耗掉，這樣一來就可以具備良好的抗沖擊性。CoCrNi合金也因此被認為是強度、延展性以及斷裂韌性綜合最優的金屬材料之一。

結構設計

影響抗沖擊性的另外一個關鍵要素，是結構設計。在該研究之中，作者設計了三種構架，分別是體心立方晶格結構（BCC）、八面體晶格結構（Octet）以及由TPMS晶格形成的Gyroid殼結構。前兩種從本質上而言是由桿來連接，而第三種結構則是由連續的曲面殼體所構成。

高精度制造工藝

在制造工藝方面，采用的是高精度激光粉末床熔融3D打印技術（HR-SLM），激光光斑直徑僅為25μm，所用材料的粒徑控制在5至25微米之間，打印時每層粉末鋪設厚度為10μm。據研究人員介紹，該工藝組合可促使晶粒結構更加細化，同時形成更為密集的位錯單元網絡，此類精細的微觀組織此前已被證實與提升材料強度且不犧牲延展性密切相關。

左：用于制造微晶格的HR-SLM系統示意圖。右：HR-SLM系統與傳統商業SLM系統在打印配置及微觀結構（特別是位錯細胞密度）方面的差異

微晶格的層級結構及變形前后的微結構差異

從微晶格的層級構造來看，陀螺微晶格殼層厚度不到100微米，它和所構成的能量色散X射線映射重疊，憑借電子背散射衍射圖像的質量圖，可以看見合金的晶界，還有HR-SLM引發產生的納米級位錯晶胞網絡。

TPMS晶格具有更高抗沖擊性

微晶格的準靜態原位單軸壓縮實驗展現出，TPMS陀螺晶格不僅具有優異的機械性能，它的模量以及強度比BCC高出四倍以上，而且應力-應變曲線和八位一體桁架相比更為平滑，沒有后屈服軟化的情況，導致比能吸收超過兩倍以上。

需指出的是，殼層微晶格相較于桁架微晶格在機械性能方面有著明顯的提高，這是設計特征和材料的理想結合。如果材料是鈦合金，在殼體上就會出現很多斷裂和很顯著的剪切帶。

三種晶格結構的高速沖擊測試

為開展對HR-SLM制造的晶格材料極端抗沖擊性的探究，研究人員開展了一系列原位彈體撞擊測試，速度范圍從100m/s至1500m/s。

研究人員設置了實驗裝置，不銹鋼球體借助氣槍加速，接著用高速攝像機去觀察撞擊的過程，小彈丸以超500m/s的速度，完全穿過了BCC和八面體晶格，而陀螺晶格卻成功擋住了彈丸，即便速度超過900m/s時也無法完全穿過。

不過需要說明的是，研究似乎沒有明確進行沖擊測試的樣品的尺寸，通過大概估量彈丸和測試樣品的比例發現，晶格樣品的整體厚度大概是30mm。

除此之外還研究了彈丸尺寸的影響。當彈丸直徑從5mm增加到10mm的時候，彈丸飛行速度大概為900m/s，在比較非彈性能量方面，BCC晶格要比八面體晶格好。這是由于BCC晶格在致密區域內的接觸面積以及塑性耗散顯著更大；當處于更快速度時，八面體晶格此前因為更大的動應力效應，比5mm彈丸的BCC晶格略好，然而較大的彈丸尺寸，讓主導因素變成了壓實。

具體來講，當彈丸直徑等于或者超過五個單位晶胞時，壓實反應處于主要地位，而當彈丸相對比較小的時候，慣性響應就更為明顯。而陀螺晶格因為在壓實狀態以及誘發動力應力方面具有優勢，在所有區間內都比基于支柱的晶格表現更好。

在近期舉辦的激光制造與增材制造創新發展大會上，筆者了解到晶格夾層結構在航空航天等領域已經被廣泛應用，而且這項研究的重要意義極為突出，它會給超材料的逆向設計，開拓新的路徑，特別是在國防、航空航天以及汽車領域，為輕量化碰撞防護結構提供新的解決途徑，不只是關乎設計方面，還需要整合材料。

香港城市大學的研究團隊，不但找到了在宏觀樣本量下實現超高動態能量耗散性能的辦法，還為弄明白金屬超材料里結構誘導、（制造）過程誘導以及材料誘導變形機制之間繁雜聯系打下了基礎。

注：本文由3D打印技術參考創作，未經聯系授權，謝絕轉載。

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