增材制造攻克形狀記憶難題，量產抗斷裂復合材料成現實

自麻省理工學院從事博士后研究以來，材料科學與工程副教授Hang Yu一直在努力攻克規模化制造抗斷裂形狀記憶陶瓷的技術難題。如今，他與博士生Donnie Erb及博士后研究員Nikhil Gotawala合作取得了突破性進展。

材料科學與工程副教授Hang Yu，在他用于先進制造研究的微型增材摩擦攪拌沉積設備前

Hang Yu團隊采用一種名為“增材摩擦攪拌沉積”的先進制造技術，將功能性陶瓷顆粒嵌入金屬基體中，成功研發出一種高強度、無缺陷的新型復合材料。該材料能在應力作用下發生相變以耗散能量，且與傳統脆性陶瓷不同，可實現高密度、一體成型的規?；?D打印。這一突破為國防、基礎設施、航空航天乃至高性能運動裝備等領域的實際應用，開辟了新可能。

“這種復合材料能承受拉伸、彎曲和壓縮載荷，并通過應力誘導的馬氏體相變吸收能量，”Hang Yu解釋道，“它具有多功能特性，使我們能夠朝著制造具有實際應用潛力的大型構件邁進。”

釋放脆性陶瓷新潛能
Hang Yu的團隊并非首個嘗試破解形狀記憶陶瓷密碼的研究組。這類材料能在應力或溫度作用下改變內部結構，又能恢復原狀，其價值在于無需齒輪或活動部件即可實現運動或吸收能量——這一特性常見于鎳鈦合金等金屬材料中，但要讓陶瓷實現同樣效果卻困難得多。

“在我做博士后期間，我的導師團隊曾在《科學》雜志發表論文證明：若將這類材料制成微米尺度，陶瓷脆性便不再構成主要障礙，并能觀察到形狀記憶效應。”Hang Yu回憶道。然而，如何將形狀記憶陶瓷規?；苽湟詰糜诮Y構領域，始終是未解難題——材料總會斷裂。

Hang Yu解釋道，這項新技術將微小的形狀記憶陶瓷顆粒嵌入金屬基體，“就像把巧克力碎粒拌進餅干面團”。隨后，混合物被送入增材摩擦攪拌沉積設備——這種先進制造工具通過高速旋轉原料使其在不熔化的狀態下融合。最終得到的復合金屬材料內部陶瓷顆粒均勻分布，可在發生形變時保持整體結構不破裂。

“該研究首次通過可規?；墓虘B3D打印工藝，制備出大塊形狀記憶陶瓷-金屬基復合材料。”Hang Yu總結道。

Hang Yu副教授（右）與實驗室成員合影，其中包括Nikhil Gotawala（左）和Donnie Erb '15, M.S. '18（左三）。他們是Hang Yu在近期發表于《材料科學與工程R：報告》期刊論文的共同作者

更堅固的材料，更智能的應用
這種新材料首次在宏觀尺度上實現了應力誘導相變，有望彌合學術創新與工業實際應用之間的鴻溝，其潛在應用領域涵蓋國防系統的減振緩沖、航空航天、基礎設施乃至體育用品等領域。

例如，嵌入陶瓷的金屬材料可用于制造高爾夫球桿桿身，在保持輕量化的同時有效減少振動。“這種復合材料在保留金屬原有適用性的基礎上，為其增添了新的功能，”Erb解釋道。

他進一步補充：“這就像‘夢想之地’的情景——只要我們造出來，總會有人發掘出它的有趣用途。此前人們已證明這種材料在微米尺度可行，而我們正在宣告‘現在你可以按需獲取任意數量的材料’。我們為它實現了尺度的跨越。”

先進制造的持續突破
這項新研究凸顯了弗吉尼亞理工大學作為先進制造研究重鎮的地位。身為弗吉尼亞理工大學“制造中心”成員的Hang Yu，曾在國家科學基金會和美國陸軍研究實驗室的支持下開展增材摩擦攪拌沉積技術的應用研究。

Hang Yu談到，這種復合材料極具研究價值，而陶瓷的形狀記憶功能正是我從博士后階段就持續探索的方向。如今我主要以增材摩擦攪拌沉積技術研究為人所知?，F在我能將這兩大研究方向融合，開拓出關鍵的新應用領域，這令人無比振奮。