导读：尽管3D打印技术为制造复杂形状提供了可能性，但在制造连续纤维增强的复合材料时，如何确保纤维的连续性和均匀性，以及避免在复杂结构中出现过多的缺陷，仍然是一个挑战。 连续纤维3D打印的蜂窝结构 蜂窝夹层结构具有轻质、高比强度、高比刚度和卓越的吸能特性，这些特点使其成为航空航天、汽车、轨道交通及相关行业中备受青睐的结构形式。该结构主要由两片面板和一个轻质蜂窝芯组成，面板承受弯曲和平面内载荷，而蜂窝芯则牢固地附着在面板上，承受横向剪切载荷。 传统的蜂窝夹层结构构建方法涉及面板和芯材的单独制造，随后通过粘合剂将它们粘合在一起。然而，这种方法复杂且受成型模具的限制，必须在高温高压环境下完成，导致生产过程复杂且成本高昂。因此，为实现蜂窝夹层结构的经济高效生产，创新的制造工艺显得尤为重要。 传统蜂窝夹层结构需单独制造面板和芯材并粘合在一起 熔融沉积成型（FFF）技术是当前最为普及的3D打印技术之一。其优势在于工艺简单、成本效益高、材料选择多样、材料利用率高，以及能够无需模具即可快速制造复杂形状部件的能力。这项技术有望突破传统制造方法的局限，实现复杂结构的高效、低成本生产。在3D结构制造中，热塑性材料丝材及其复合材料是主要材料。相较于短纤维增强复合材料和纯热塑性材料，连续碳纤维增强复合材料展现出卓越的强度和性能。因此，近年来连续碳纤维复合材料的3D打印技术备受关注，不仅体现在科学研究方面，在商业应用发面也已获得成功。这些努力极大地推动了纤维增强复合材料3D打印技术在工程领域的实际应用，展现了其广阔的发展前景。 Markforged 连续纤维3D打印增强工艺 但FFF技术3D打印连续纤维复合材料仍可能产生打印缺陷，如纤维束方向偏离树脂基体、在路径折角处纤维拔出、以及打印路径方向改变时（如180°转弯）形成的纯树脂基体区域。这些缺陷都可能对最终产品的机械性能产生不利影响，为了获得理想的力学性能，需要仔细考虑和优化打印参数以及结构设计。3D打印技术参考注意到， 大连理工大学付饶团队于日前在《Journal of Manufacturing Processes》发表了题为“Enhancing planar compression performance of 3D printed continuous carbon fiber reinforced honeycomb sandwich structures using interleaved core paths”的文章。 (a) 蜂窝夹层结构模型 和 (b) 蜂窝夹层结构的打印组件 为了增强蜂窝芯单元之间的3D打印质量，研究人员引入了一种新颖的打印路径设计策略，称为“芯交错对齐打印方法”，旨在改善芯单元内部的粘结效果。该策略考虑了使用连续纤维进行3D打印蜂窝结构时遇到的粘结不足和纤维沉积偏差等挑战。该设计涉及在芯单元之间对齐和偏移打印路径，以提升3D打印连续纤维复合蜂窝结构的结构完整性。研究人员同时采用了提出的和原始的路径规划策略来制造具有不同芯尺寸的蜂窝夹层结构。通过面内压缩试验和显微观察，对这些结构的机械性能和损伤模式进行了详细的研究和比较。此外，还进行了深入的分析和讨论，以了解蜂窝芯内的结构参数对夹层结构机械性能的影响。 (a) 对称蜂窝芯打印路径规划策略示意图；(b) 交错蜂窝芯打印路径规划策略示意图(c) 对称路径的接触状态：(d) 角部特征处的纤维错位；(e) 交错路径的接触状态 规划交错对齐打印路径的过程 蜂窝夹层结构的打印路径设计方案 对比不同形状的蜂窝芯结构发现，采用交错路径打印显著提升了芯体的成型质量。当蜂窝芯的边长为8.66毫米时，单元之间的有效粘结长度增加了约30%。即便是在增加蜂窝芯密度、减小芯体边长的情况下，单元之间依然能够保持良好的粘结质量。 与采用对称路径打印的蜂窝夹层结构相比，交错路径打印的结构在平面压缩性能上展现出显著提升。随着蜂窝芯尺寸的减小，这种性能提升更为显著，压缩强度从96%提升至167%，压缩模量范围从67.5%到116%，比强度则从125%增加到165%。 蜂窝芯的破坏模式表明，单元之间的粘结质量对夹层结构的力学性能有着重要影响。蜂窝芯单元间优异的粘结质量能够防止分层损伤扩展，确保结构稳定性，从而提升蜂窝夹层组件的机械性能。比强度的对比结果进一步证明，保持蜂窝结构的完整性和稳定性对于提升结构性能至关重要。 对称路径打印的蜂窝芯结构形态分析：(a) 蜂窝芯结构；(b) 芯单元之间的脱粘；(c) 线间孔隙；(d) 纤维拔出；(e) 加剧的纤维拔出 蜂窝芯的破坏形式：(a) 对称路径打印的蜂窝芯；(b) 芯单元之间脱粘的侧视图；(c) 交错路径打印的蜂窝芯；(d) 芯单元之间良好粘结质量的侧视图 总的来说，该研究为使用连续纤维增强热塑性复合材料进行高性能夹层结构的3D打印提供了宝贵的参考。研究结果表明，优化成型路径、改善芯体单元之间的粘结质量以及确保单元结构的稳定性，对于提升3D打印连续纤维增强复合材料的结构完整性至关重要。这些发现不仅加深了我们对复合材料3D打印工艺的理解，还为未来设计和制造更高性能、更可靠的夹层结构提供了重要的指导原则。

2025年第2篇与与3D打印技术相关的nature正刊文章于4月23日发表。来自普林斯顿大学的研究人员，发表了题为“Modular chiral origami metamaterials（模块化手性折纸超材料）” 的文章。该研究的核心内容是借助3D打印技术开发出了一种具有多模态变形机制的模块化手性折纸超材料，它在力学、热学、光学等多个领域展现出巨大的应用潜力，实现了突破性的进展。 这项研究的第一作者为赵拓，其本科就读于大连理工大学，现为普林斯顿大学博士后研究员。 研究背景 机械超材料是通过特殊结构设计的人工材料，能像“变形金刚”一样展现出超越普通材料的神奇性能。传统设计采用刚性连接的八面体桁架、凯尔文晶格等单元结构，在轻量化特性、抗冲击行以及和断裂研究方面具有价值，但这些结构变形方式较为单一，如同只能直线拼装的乐高积木。 而升级版的折纸超材料借鉴了折纸和剪纸规律，使用柔性铰链连接，材料能够在三维空间实现自由变形，如同能折叠伸展的折纸作品。这种设计不仅突破了传统线性变形的限制，还通过手性结构实现了扭转与拉伸的耦合效应。但几何非线性引入的多自由度变形仍然需要集成控制或外部激励来驱动。此外，现有研究多聚焦在单轴加载下的有限物理特性。 研究突破 赵拓等人最新研发的超材料能够通过单一控制即可实现平动+扭转的复合运动，还能在三个方向自由伸缩膨胀。 这款材料的设计灵感来自折纸艺术，融合了两种特殊结构：手性螺旋阵列（像DNA双螺旋决定扭转方向）和拉胀镶嵌结构（像蜂巢般被拉伸时会变厚）。它的创新在于模块化组装方式，能像乐高积木一样自由更换组件：既能调整出近零/负泊松比等特殊性能，又能预设多种稳定状态。通过优化模块形状、手性特征和材料属性，就像在给材料编写程序，能精准控制结构的力学响应，如设置不同能量屏障。 这种“可编程超材料”应用潜力巨大，可以制作抗震缓冲装置；跨界融合磁/热/光功能后，既能造出会变形还能移动的机器人，又能开发智能温控建筑。整个设计打破了传统材料单一功能的限制，让单一控制实现多模态运动成为可能，真正实现了材料与智能系统的深度融合。 3D打印在模块化手性折纸超材料制造中的应用 这种模块化的手性折纸超材料由单元格、铰链连接的镶嵌结构以及装配板等组成。这些结构都采用PolyJet 3D打印技术制造。该技术的最大特点是精度高、可实现多种材料一体制造，能够满足超材料复杂的几何形状和不同力学性能的要求。 由铰接镶嵌和手性origami灵感来的晶格单元组成的多模式超材料 单元格由杆和软关节两部分组成。在制造过程中，杆使用了四种弹性模量接近的材料，约为2.2GPa；软关节在打印过程中混合了多种材料，弹性模量根据不同的材料组合分别达到1.7MPa、2.7MPa和3.9MPa。这种多材料的3D打印方式使得超材料的不同部分能够具备不同的力学特性，从而实现预期的多模态变形行为。 3D打印技术能够精确构建出模块化手性折纸超材料的各种复杂几何结构。以六边形单元格为例，其展开高度为28.3mm，折叠高度为12.6mm，多边形半径为16.8mm。这些精确的尺寸参数对于确保单元格在变形过程中的稳定性和可重复性至关重要。此外，3D打印还能实现从基于壳的折纸到基于杆的格形单元的转换，为超材料的几何设计提供了更大的灵活性。通过3D打印，研究人员能够轻松地将各种正多边形作为单元格的顶部和底部面进行组合，从而创造出具有不同几何特性和变形性能的超材料模块，如四边形、六边形和八边形单元格等。 模块化手性折纸超材料的制造过程高度模块化。各个单元格可以单独进行3D打印和测试，然后根据需要进行组装，形成更大规模的超材料结构。这种模块化组装方式不仅提高了制造效率，还便于对超材料的性能进行优化和调整。研究人员可以通过改变单元格的几何形状、手性赋值以及材料组合等方式，快速制造出具有不同力学响应的超材料模块，并通过实验和模拟分析来评估其性能，从而实现对超材料整体性能的精确调控。同时，模块化组装还使得超材料的维修和更换变得更加简便，只需对有问题的模块进行替换即可，无需重新制造整个结构。 END 总的来说，3D打印技术在该超材料的制造过程中扮演了关键角色，它实现了复杂几何结构的精确构建，同时将多种材料一体3D打印，为创造具有集成力学性能的超材料提供了制造技术，极为关键。 本研究的超材料基于高度模块化的组装，使得不稳定性和局部手性的控制可以重新编程，具有可调的承载能力和可扩展性。为多模式、多稳定性和可重新编程机器提供了途径，可应用于机器人变压器、热调节、滞回回路中的机械记忆、非交换态跃迁以及用于能量吸收和信息加密的即插即用功能组件。

据美国国家标准与技术研究院(NIST)称，研究人员在3D打印铝合金中发现了一种被称为准晶体的特殊原子结构。材料研究工程师用电子显微镜观察一小片新型铝合金时，注意到原子以一种意想不到的模式排列，随后证实了准晶体的存在，并发现它们可以增强铝合金的强度。 本研究中发现的准晶体 这项研究以“Microstructural features and metastable phase formation in a high-strength aluminum alloy fabricated using additive manufacturing”为题发表在《Journal of Alloys and Compounds》上。这一发现可能有助于开发专门利用准晶体来提高强度的新型铝合金。本研究的通讯作者之一为Fan Zhang。 https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.180281 文章通讯作者之一Fan Zhang 从原子尺度上理解铝，将使一种全新的3D打印部件成为可能，例如飞机部件、热交换器和汽车底盘。这也将为利用准晶体提高强度的新型铝合金的研究打开大门。 准晶体与普通晶体类似，但有一些关键的区别。传统晶体是指由原子或分子以重复模式构成的固体。例如，食盐就是一种常见的晶体。盐的原子连接在一起形成立方体，这些微小的立方体再连接在一起，形成更大的立方体，大到可以用肉眼看到。 这幅瓷砖图案具有与准晶体相同的特性，虽然由几个相同的基本形状构成，但整体图案却不重复 原子形成重复晶体图案的可能方式只有230种，但准晶体不属于其中任何一种，它们特殊的形状使其能够形成填充空间永不重复的图案。 以色列理工学院材料科学Dan Shechtman于20世纪80年代在美国国家标准与技术研究院（NIST） 休假期间发现了准晶体。当时，许多科学家认为他的研究存在缺陷，因为他发现的新晶体形状在晶体的正常规则下不可能存在。但他通过细致的研究，证明了这种新型晶体的存在，从而彻底改变了晶体学，并于2011年荣获诺贝尔化学奖。而此次，NIST的科学家在3D打印铝合金中再次发现了准晶。 7A77单道微结构的SEM-EBSD IPF-Z颜色图显示了熔池边界处的细晶和过程中心的粗晶 Zhang Fan表示，铝合金的激光金属3D打印非常困难，过程很容易产生裂纹。普通铝的熔点约为700℃，3D打印机中的激光器必须将温度升高到更高的程度，甚至超过沸点2470 ℃。这个过程会改变金属的许多特性，铝比其他金属导热率更高，因此冷却得更快，因此影响更严重。 2017年，HRL实验室和加州大学圣巴巴拉分校的研究人员研制出一种锆增强铝合金——7A77，该材料因使用锆基纳米颗粒作为成核剂，避免了7075和6061铝合金在采用激光进行打印时出现的易开裂问题，并可实现细晶粒微观结构，强度超过600 Mpa。美国国家标准与技术研究院（NIST）对这种铝锆合金进行了研究，了解其原子结构。Zhang Fan表示：“为了确保这种新金属能够用于军用飞机等关键部件，我们需要深入了解原子之间的相互作用。”他们发现准晶体在其中发挥了关键作用。 该研究中铝合金的SEM图像 NIST的研究人员以7A77铝合金为研究对象，考察了其在多个长度尺度上的原始微观结构。分析表明，激光3D打印为其微观结构中引入了多种亚稳相。具体来说，他们在3D打印的7A77铝合金中发现了明显的双峰微观结构：含有Al₃Zr相的细小等轴晶粒和以一种以前从未报道过的较粗晶粒，后者具有二十面体准晶特征。其中，细小等轴晶粒分布在靠近熔池边界处，而熔池中心则为较粗的拉长晶粒。 单道显微组织的衬度图像，显示了旋转角度接近60°的晶界，用红色突出显示；IPF-Z颜色图显示了两个铝晶粒，标记为1和2，由旋转角度接近60°的晶界分隔 从显微图像可以看出，浅灰区域是铝合金内部传统晶体的截面，黑点是NIST发现的准晶体截面。黑线从准晶体截面延伸而出，这些线条是缺陷，它们破坏了整个合金中传统晶体的模式，从而提高了合金的强度。 论文指出，这种微观结构的形成与凝固过程密切相关。研究发现，准晶体的空间分布和形态特征强烈表明，准晶体的形成发生在凝固过程的后期，分布在树枝晶间区域和晶界上。它的出现增强了晶界强度，阻碍位错运动，有助于提高材料强度。测试结果表明，制造的7A77铝合金的的硬度水平与峰值时效的7075相当，达到2.34GPa。因此，通过后续的沉淀硬化热处理，该材料的的力学性能可以进一步提高。 纳米压痕图叠加在AA7A77单道SEM图像上和相应的IPF-Z颜色图。(a)(d)SEM图像和EDS元素分布图，显示在(d)细晶和(a)粗晶区域内的特征压痕 在金属中，完美晶体的强度较低。完美晶体的规则结构使原子更容易相互滑移。当这种情况发生时，金属会弯曲、拉伸或断裂。准晶体会破坏铝晶体的规则结构，产生缺陷，从而使金属强度更高。总的来说，这项研究将为合金设计开辟一条新途径。

3D 打印技术参考注意到， 2025 年 3D 打印技术领域第三篇 Science 文章于 4 月 10 日发表。来自浙江大学的谢涛教授和郑宁教授团队发表了题为“ Circular 3D printing of high-performance photopolymers through dissociative network design ”的文章。同期，国际学者在 Science 杂志进行了透视评论。 这项研究的重要突破在于，研究人员通过特殊的光聚合物网络设计方法，实现了高性能聚合物的循环3D打印。这项技术不仅能够制造出具有高机械性能的3D打印产品，同时能够解决传统3D打印聚合物难回收、无法循环使用，进而造成大量浪费以及污染的问题。 3D打印树脂废料常规处理方法 3D打印技术参考查询一份名为“一种SLA 3D打印用光敏树脂废料的回收处理方法”的专利指出，目前工业上SLA 3D打印用光敏树脂使用量极大，大型服务商的一槽光敏树脂可达到2吨以上。而在打印过程中，光敏树脂不可避免的吸水，发生一些因热和光导致的不可控副反应，而使光敏树脂材料粘度不断增加，同时伴随一些不可溶解的固体颗粒产生。因此常常会导致10％-15％的光敏树脂报废。 对于报废的光敏树脂，企业一般有两种处理方式：一种是集中收集，在固化后当成固体废料垃圾处理；另一种是直接把报废的光敏树脂当化工液体废物处理。因此资源回收利用的可能性极低，而且产生材料浪费，使用成本也较高。 可循环3D打印光敏树脂研究进展 光固化过程会引发含有特定阳离子或自由基的分子链生长，导致通过C-C或C-O键从一个聚合物到另一个聚合物的高强度连接，形成了不可降解网络结构。虽然聚合物主链之间的强交联提供了优异的机械强度和抗化学降解性，但它使聚合物的回收变得具有挑战性，成为将增材制造与循环经济原则相结合的主要障碍。如果可以将3D打印的光敏树脂进行回收，并实现无限次重复打印还能保持机械性能不变，无疑是最理想的解决方案。但当前的进展是回收再次打印的材料机械完整性和树脂的可回收性之间存在平衡关系。 闭环可回收光聚合物网络的设计 根据3D打印技术参考的日常总结，已经有多篇涉及3D打印可回收树脂的研究发表在了Science和Nature正刊上面，研究的重点主要集中在防止粘度、固化速度、后固化收缩和机械性能等关键特性的损失上面。例如，在永久交联聚合物网络中引入可在特定条件下分解的动态（可逆）共价键，可以实现打印部件的部分降聚。然而，这些策略中的树脂通过能量密集的热压（同时施加压力和热）或多步化学过程无法完全回收。 热固性塑料发生化学交联反应 这些方法解聚的树脂仍然需要额外添加新单体才能恢复光聚合能力，而且再次打印的树脂机械性能也不能完全恢复如初。另一种选择是使用生物来源的材料，目前已经发现部分材料与光聚合具有良好的兼容性，所制得的打印部件能接近实现完全回收。但是这些聚合物主链缺乏结构多样性，材料的机械性能的可调范围比较窄。 可循环3D打印光聚合物新设计方法 浙江大学研究人员提出的是一种通过形成二硫代缩醛键进行逐步光聚合3D打印的方法。所使用到的材料与功能为： 1.香草醛：一种生物基醛，用于与硫醇反应形成二硫缩醛键。 2.硫醇：含有巯基（-SH）的化合物，与香草醛反应形成二硫缩醛键。 3.光酸发生剂：在光照下产生酸性物质，用于催化硫醇和香草醛之间的反应。 4.四氢呋喃：用作溶剂，在解聚过程中溶解废料。 5.浓盐酸：用作酸性催化剂，促进二硫缩醛键的解聚。 6.碳酸氢钠：用于中和反应，稳定解聚后的产物。 7.2-丁氧乙醇：用作溶剂，帮助溶解香草醛。 8.聚己内酯二硫醇：用于制备具有结晶特性的聚合物。 9.四硫醇交联剂：用于调节聚合物网络的交联密度。 研究发现，在光酸发生剂的催化下，硫醇与生物基香草醛中的醛可以在几十秒内发生反应形成二硫代缩醛，满足3D打印的先决条件。对于二硫代缩醛键，尽管动态可交换，但通过解离机制同时恢复为硫醇和醛则具有挑战性。 树脂解聚与再打印流程 硫醇与芳香醛的可逆光点击化学反应 研究人员的第二个发现是，二硫代缩醛键可以在不使用催化剂的情况下还原为硫醇和醛，这是闭环回收的关键。具体的说，在80°C的条件下，将含有二硫缩醛键的聚合物网络与四氢呋喃、水和酸性催化剂混合加热，诱导解离反应。通过加入碳酸氢钠中和酸性催化剂，稳定解离后的产物，防止其重新结合。解离后的产物可以与新的光酸发生剂混合，重新用于3D打印，实现材料的完全回收。 循环3D打印效果验证 研究人员选择了其中一种配方，对打印之后的材料根据上述步骤解聚后再循环打印，制造出的复杂立体结构证明解聚后的树脂在打印过程中流动性和固化性能都较好。 光聚合物网络的热可逆溶胶-凝胶转变；通过中和稳定溶胶状态；3D打印的样品 树脂循环使用后的指标变化 可以用于制造牙科矫治器和金属铸造牺牲模具 除此之外，解聚后的树脂在重新打印后保持了与原始树脂相似的打印质量，如模量和断裂伸长率。DT-0.4配方的模量为141MPa，断裂伸长率为683%，在多次循环打印-回收过程中几乎保持不变，其他还包括玻璃化转变温度和以及热稳定性。研究指出，这种循环打印技术还可以用于制造牙科矫治器和金属铸造牺牲模具，将大大减少材料浪费和成本。 研究团队主要成员（来自浙江大学） 3D打印技术参考查询发现，来自巴斯克大学的Xabier Lopez de 和Parizaharitz Sardon研究员对这项研究进行了客观评价。他们指出，这项技术的最大特点是回收之后的树脂在解聚之后仍然能保持了光敏特性。虽然解聚过程并不能完全彻底，但回收的低聚物仍然具有足够的粘度和固化速度，在不添加新的单体时也可再次打印。但是需要指出的是，回收树脂的解聚过程仍然会用到有机溶剂和比较高的处理温度，这对于大规模的3D打印后处理来说仍不太便利。而且聚合反应形成的二硫缩醛键可能会与水反应，因此树脂的长期稳定性可能存在问题等。 但总的来说，这项研究仍然会对3D打印的未来发展产生重大影响。它解决了传统3D打印材料难以回收和环境污染的问题，还实现了高机械性能和完全可回收性的统一。 注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。

3D打印技术作为前沿科技领域的重要组成部分，正以迅猛的发展势头深刻改变着制造业、医疗、建筑等多个行业的未来，及时获取前沿研究成果和权威观点至关重要。本文内容，3D打印技术参考总结了十份值得推荐的高质量期刊，它们涵盖了3D打印的材料科学、工艺创新、结构设计等多个关键领域，能够为研究提供丰富的理论支持和实践参考，助力学术研究和生产实践。 1. Additive Manufacturing（增材制造） 数百篇开放获取、高影响力的文章 分区：中科院1区 该期刊被认为是专门关注增材制造的最重要的期刊之一，每年发表数百篇开放获取文章，并且每月推出一期新期刊。它隶属于美国国家增材制造创新研究所America Makes，由高影响力的论文组成。 该期刊专注于增材制造的全链条研究，包括材料开发、工艺优化、后处理技术及工业应用，是领域内公认的顶级期刊，影响因子常年领先。 2025年趋势：可能持续关注多材料打印、AI驱动的工艺优化及可持续制造。 2. Additive Manufacturing Frontiers（增材制造前沿） 分区：中科院3区 《中国机械工程学报：增材制造前沿》（Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers）是中国科协主管、中国机械工程学会主办的英文学术期刊，入选2020年中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目，是Chinese Journal of Mechanical Engineering的子刊。 该刊创办得到了全球增材制造领域学者的积极响应和大力支持，成立了由全球43位顶尖科学家组成的编委会。2022年2月18日，《中国机械工程学报：增材制造前沿》首期在ScienceDirect上线。2025年潜力研究方向：可能关注极端环境制造、超材料与功能梯度材料、实时打印监控等。 3. Nature Communications 分区：中科院1区 Nature Communications是《Nature》旗下的一本开放获取的多学科期刊，创刊于2010年，由Springer Nature出版。该期刊致力于发表自然科学各个领域的高质量研究，涵盖生物、健康、物理、化学、地球、社会、数学、应用和工程科学等该期刊常发表增材制造领域的突破性研究，如纳米级3D打印、仿生结构设计等，影响因子高达17+。 2025年趋势：突破性技术（如超高速打印、仿生结构）、跨学科应用（能源、生物医学）。 4. ADVANCED MATERIALS 分区：中科院1区 Advanced Materials是IF超30的顶刊，频繁刊登新型增材制造材料（如超材料、智能材料）及其在柔性电子、能源等领域的应用。是工程与计算大学科、材料与化学大领域（包含材料化学，材料物理，生物材料，纳米材料，光电材料，金属材料，无机非金属材料，电子材料等等非常多的子学科，以及非常大量与材料相关的研究领域）的顶尖期刊，在国际材料领域科研界上享誉盛名。 2025年可能亮点：材料工艺、可降解金属、自修复材料的3D打印技术，也涉及3D打印和拓扑优化的交叉研究。 5. Materials Science and Engineering: A  分区：中科院1区 材料科学与工程为发表与材料承载能力相关的理论和实验研究提供了一个国际媒介。该期刊关于增材制造的研究关注点涵盖了材料、工艺与技术、产品性能与应用以及与其他技术的结合等多个方面。这些研究关注点反映了增材制造技术的多样性和复杂性，也体现了期刊在推动增材制造技术发展方面的积极作用。 6. Nature Materials 分区：中科院1区 Nature Materials是Nature出版集团旗下的顶级学术期刊，专注于材料科学领域的前沿研究，涵盖从基础物理化学到应用技术的广泛内容。该期刊以发表高质量、高影响力的研究成果而闻名，是材料科学领域最具权威性的期刊之一。在3D打印技术领域，《Nature Materials》近年来发表了多项突破性研究，推动了该技术在材料科学、制造工艺和应用拓展方面的进步。 7. Advanced Functional Materials 分区：中科院1区 该期刊是国际知名材料科学期刊，每周出版一期，专注于报道材料科学领域的前沿研究，涵盖纳米技术、化学、物理学、生物学等多个方向。作为材料科学领域的顶级期刊之一，它以快速且公正的同行评审、高质量的内容和高影响力而闻名，是国际材料科学社区的首选期刊。在中科院分区表中，被列为材料科学1区期刊。功能材料在3D打印中的创新应用（如传感器、响应性材料）等方向的应用，可选择该期刊。 8. International Journal of Extreme Manufacturing（极端制造） 分区：中科院1区 极端制造，创刊于2019年，由中国工程物理研究院主管，中国工程物理研究院机械制造工艺研究所、中国工程物理研究院激光聚变研究中心、大连理工大学、复旦大学主办。致力于发表极端条件下制造及相关领域的高质量最新研究成果，文章形式主要为原创性和综述性文章。 目前该刊五大栏目中的极端制造能场与材料相互作用，涉及金属/无机非金属/高分子材料增材制造、生物材料增材制造、4D打印、激光表面改性、超快激光微纳制造与高能束及特种能场加工 9. Journal of Materials Processing…

最新一期的Science包含两篇关于3D打印技术的研究。。因此，我们将另一篇，列为本年度第三篇增材Science文章。来自奥地利科学技术研究所的中国学者Shengduo Xu博士（ 2015年9月 - 2017年7月 于哈工大就读硕士），以第一作者发表了题为“Interfacial bonding enhances thermoelectric cooling in 3D-printed materials”的文章。研究人员通过挤出式3D打印技术，结合界面键合优化策略，成功制备出一种高性能热电材料，并组装出制冷温差达50°C的制冷器件。 https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads0426 新闻评论指出， 此突破不仅显著降低了热电材料的生产成本，使之达到了商业级性能水准，而且极大程度地削减了材料与能源的损耗，并有效缩短了生产周期。这项研究为电子产品及可穿戴设备中的多样化冷却需求提供了极具扩展性的解决方案，同时，也为烧伤护理及废弃能量回收策略等前沿医疗领域开辟了新的道路。凭借所展现出的商业级卓越性能，这项研究成果有望超越学术范畴，展现出深远的实际应用价值，进而吸引那些致力于技术创新与应用的行业伙伴的广泛关注与兴趣。 本文研究团队 热电材料制造面临的困境 热电制冷器（TECs）是一种基于热电效应的固态制冷设备，能够在电流通过时将热量从一侧转移到另一侧，不依赖传统制冷系统中使用的有害液体或气体，在现代热管理领域具有重要应用前景。然而，TECs的广泛应用受到效率低下、制冷能力有限、制造工艺复杂且成本高昂等因素的限制。其性能系数和最大温度降低能力与其所使用的热电材料的效率密切相关，然而这些材料的制造方法耗时且能耗高，难以大规模生产。 近年来，3D打印技术已经实现了具有不同3D结构刚性热电材料的打印，在制备热电材料方面展现了潜力。但当前制备的3D打印热电材料的性能仍低于传统方法制备的锭材，且尚未实现其在冷却装置中的实际应用。这主要受到材料内部晶粒连接不良导致的性能下降以及高性能材料优化与高效器件工程结合的复杂性等因素的限制。 3D打印制备出高性能热电材料 本研究旨在通过制备高性能热电材料，构建基于此材料的热电制冷器件，实现高效、稳定的制冷效果。研究人员选择了（Bi,Sb）2Te3基热电材料和Ag2Se热电材料作为研究对象。这两种材料均具有较高的热电优值（ZT值），是热电制冷器件的理想选择。 研究团队采用挤出3D打印技术，设计了特殊的墨水配方，实现了高性能热电材料的直接打印。具体来说，研究中使用了两种主要材料：p型的Bi0.5Sb1.5Te3（简称BST）和n型的Ag2Se。通过优化墨水成分和浓度，研究团队实现了材料在打印过程中的结构完整性和烧结过程中的颗粒间良好连接。 合成工艺和性能 打印完成后，材料经过烧结处理去除液态介质并形成连续的材料网络，从而实现有效的电荷载流子传输。对于Ag2Se，研究团队利用其在133°C附近的相变特性，在烧结过程中形成液态相，促进颗粒间的质量传输和结合。对于BST，研究团队通过添加Bi纳米颗粒和Sb2Te4金属间化合物（ChaM），在烧结过程中形成与原始BST颗粒化学键合的新BST相，从而实现颗粒间的连接。 研究突破 1.实现高性能热电材料制造 研究结果表明，（Bi,Sb）2Te3基热电材料和Ag2Se热电材料均表现出优异的热电性能。其中，（Bi,Sb）2Te3基热电材料在特定温度范围内具有较高的热电优值，而Ag2Se热电材料则展现出良好的稳定性和可重复性。这些优异的热电性能为后续热电制冷器件的构建奠定了坚实的基础。 3D打印Ag₂Se的多孔微结构与热电性能 2. 热电制冷器件制冷效果显著 通过性能测试，本研究制备的热电制冷器件在施加一定电流后，冷热两端的温度差可达50°C以上。随着加热负荷的增加，制冷温度逐渐升高，但制冷效率仍保持在较高水平。此外，器件在连续制冷测试中表现出良好的稳定性和可靠性，证明了其在实际应用中的潜力。 通过形成晶粒间的界面结合来提高BST-B-ST的热电性能 3. 器件结构的优化与影响 研究还发现，器件结构的优化对热电制冷效果具有显著影响。通过调整热电偶对的数量、排列方式及散热结构等参数，可以进一步提高器件的制冷效率和稳定性。例如，增加热电偶对的数量可以提高制冷功率，但也会增加器件的复杂性和成本；而优化散热结构则可以有效降低器件的工作温度，提高制冷效率。 未来应用潜力 本研究通过3D打印技术成功制备了高性能热电材料，并构建了基于此材料的热电制冷器件。通过性能测试和稳定性评估，证明了器件在实际应用中的潜力和价值。除了在电子设备、可穿戴设备中快速进行热量管理外，热电冷却器还可以用于医疗领域，包括烧伤治疗和肌肉拉伤缓解。此外，ISTA的科学家团队开发的油墨配方方法可以适用于高温热电发电机（一种可以利用温差产生电压的设备）中使用的其他材料。 展望未来，随着热电材料制备技术和器件设计水平的不断提高，热电制冷器件有望在更多领域得到应用和推广。同时，结合其他新型制冷技术和材料，如磁制冷、固态制冷等，有望实现更高效、更环保的制冷效果。此外，将热电制冷器件与智能控制系统相结合，实现智能化、精准化的制冷控制，也将是未来研究的重要方向之一。 注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。

石墨烯作为一种具有独特物理和化学性质的二维材料，因其优异的电导率、机械强度和热导率，被认为在电子学、能源存储和电磁干扰（EMI）屏蔽等领域具有巨大的应用潜力。然而，传统的石墨烯加工方法通常依赖于高温处理或化学还原剂，这些方法不仅能耗高，还可能引入杂质，影响材料的性能。此外，石墨烯的疏水性和层间强范德华力使其在水性介质中的分散性较差，限制了其在3D打印等先进制造技术中的应用。 近年来，随着3D打印技术的快速发展，直接墨水写入（DIW）作为一种能够精确控制材料形状和结构的增材制造技术，逐渐成为制造复杂结构材料的重要手段。然而，石墨烯基墨水的开发面临着诸多挑战，包括如何实现石墨烯在水性介质中的均匀分散、如何优化墨水的流变性能以满足3D打印的需求，以及如何在不牺牲材料性能的前提下实现大规模生产。 3D打印技术参考注意到，滑铁卢大学的研究人员针对这些问题，提出了一种全新的无添加剂、基于水的全石墨烯墨水，通过两步电化学方法制备，实现了石墨烯基墨水的高效3D打印，无需后处理还原步骤，为石墨烯在电子学和EMI屏蔽等领域的应用提供了新的思路。 石墨烯的3D打印 本研究的核心在于开发一种无添加剂的石墨烯基墨水，通过两步电化学方法制备，实现了石墨烯的高效分散和墨水的优良流变性能。具体过程如下： • 石墨烯的电化学合成 研究中采用了一种两步电化学方法来合成石墨烯。研究发现，磷酸插层的石墨烯具有最高的产率（85%），且在电导率和EMI屏蔽性能方面表现出色。 • 墨水的制备与流变性能优化 将合成的石墨烯分散在水中，通过溶剂交换法将其转化为水性墨水。为了满足3D打印的需求，研究团队对墨水的流变性能进行了详细表征和优化。通过调整石墨烯的浓度和插层条件，研究团队成功制备了适用于3D打印的墨水。   • 3D打印实验 使用BIO X生物打印机进行3D打印实验。研究团队设计了多种结构，包括矩形网格和特定形状，以验证墨水的打印性能。打印后的结构经过冷冻干燥处理，以去除水分并固定形状。 通过X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）、拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS）等手段对合成的石墨烯进行了表征。结果表明，磷酸插层的石墨烯具有最少的缺陷和最高的电导率（158 S/cm），且在50mm厚度下实现了50dB的EMI屏蔽效能。相比之下，硝酸和硫酸插层的石墨烯由于氧化程度较高，电导率较低。 研究发现，墨水的流变性能与其打印性能密切相关。磷酸插层的石墨烯墨水在3 wt%浓度下展现出最佳的流变性能，其储能模量（G'）和损耗模量（G''）均高于其他样品。此外，该墨水在打印过程中表现出良好的均匀性和形状保真度，能够精确地打印出设计的结构。 打印后的石墨烯结构在干燥后展现出优异的电导率，无需后处理还原步骤。通过扫描电子显微镜（SEM）观察到，打印结构具有多孔的层状结构，这不仅增加了比表面积，还有助于电子传输，进一步提升了材料的性能。 3D打印石墨烯的应用前景 本研究开发的无添加剂石墨烯基墨水为石墨烯在电子学和EMI屏蔽领域的应用提供了新的可能性。这种墨水不仅具有优异的导电性和EMI屏蔽性能，还能够通过3D打印技术制造出复杂的结构，满足个性化和定制化的需求。此外，该方法避免了传统方法中使用的有害化学还原剂和高温处理，符合绿色制造的理念，具有广阔的应用前景。未来，这种石墨烯基墨水有望在多个领域得到进一步应用和推广。   石墨烯的高导电性和良好的机械性能使其成为制造柔性电子器件的理想材料。通过3D打印技术，可以精确地制造出复杂的电路结构，为可穿戴设备、柔性显示器和传感器等领域提供新的解决方案。 随着电子设备的日益普及，电磁干扰问题日益严重。这种石墨烯基墨水打印的气凝胶具有优异的EMI屏蔽性能，能够有效阻挡电磁波的传播，可应用于电子设备的外壳制造和电磁屏蔽涂层。 石墨烯的高比表面积和良好的导电性使其在超级电容器和锂离子电池等能源存储器件中具有潜在应用价值。通过3D打印技术制造的多孔石墨烯结构能够提高电极材料的性能，提升能源存储效率。 总之，本研究通过创新的电化学方法和3D打印技术，成功开发了一种无添加剂的石墨烯基墨水，为石墨烯在多个领域的应用提供了新的思路和方法。这一成果不仅展示了石墨烯的巨大应用潜力，也为未来的材料科学研究和工业生产提供了重要的参考。 推荐阅读：Additive-free graphene-based inks for 3D printing functional conductive aerogels 注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。

3D打印技术参考注意到，2025年3D打印技术领域第二篇Science文章于2月20日发表。来自伦敦大学学院的中国学者XIANQIANG FAN（2016-2019年就读于清华大学）发表了题为“Magnetic modulation of keyhole instability during laser welding and additive manufacturing”的文章。 研究聚焦在激光粉末床熔融（LPBF）过程中，应用磁场减轻钥匙孔孔隙度的问题。通过高速同步辐射X射线成像技术，结合横向磁场实验，揭示了匙孔不稳定性的产生机制，并证明磁场可通过热电磁流体动力学效应调控熔池流动，有效抑制气孔形成。这一发现为提升增材制造质量提供了新思路。 研究背景：匙孔不稳定性的物理机制 LPBF作为一种先进的增材制造技术，能够制造具有复杂几何形状和高精度的金属零件。然而，LPBF过程中常见的孔隙度问题，特别是由于钥匙孔不稳定导致的孔隙度，严重影响了制造件的机械性能和可靠性。 之所以产生匙孔不稳定，是因为激光与金属粉末的作用过程极复杂且难以控制。当激光作用于金属表面时，局部汽化产生金属蒸气，蒸气反冲压力将液态金属向下挤压，形成深而窄的蒸气凹陷区，即“匙孔”。匙孔后壁温度较低，反冲压力较弱，易受熔池流动扰动。当后壁出现凸起时，激光束被反射至匙孔上部，导致局部温度分布不均。反冲压力的积累使匙孔中部压力骤降，液态金属回填形成“颈缩”，最终引发坍塌和气孔。高频振荡会进一步加剧湍流，使气孔随机分布。 熔池随磁场流动和无磁场流动：A 在没有磁场的情况下的熔池流动模式示意图(激光束穿过RL)。(B1-到B4相关的钥匙孔坍塌过程。( C )在磁场存在下的熔池流动。( D1 -D3 )后向和上向流动的示意图,由T力驱动,维持一个I形的钥匙孔用于(c),RL-B的情况。( E 和 F )在rl-b和rr-b扫描中,W粒子的轨迹显示当扫描方向逆转时,TE力逆转引起的流动逆转。( G)倒转扫描方向时的熔体流动模式） 研究方法：磁场调控+高速同步辐射X射线成像 为了解决匙孔不稳定性的问题，研究人员采用了一种创新的方法：通过施加横向磁场来调节匙孔的动态行为，同时利用高速同步辐射X射线成像技术，对激光熔化过程中的匙孔动态进行了高时空分辨率的观察。实验中使用了AlSi10Mg合金作为研究对象，并在激光扫描方向与磁场方向不同的条件下进行了对比实验。通过这种实验设计，研究人员能够直接观察到匙孔在磁场作用下的动态变化，以及熔池流动模式的改变。 X射线成像系统带有两个环磁铁,在激光熔点提供静态磁场 研究发现：磁场调控可抑制匙孔不稳定性 通过施加横向磁场和高速射线成像，研究团队发现了匙孔不稳定的机制以及磁场对匙孔动态的影响机理。 1. 匙孔不稳定的机制 研究发现，匙孔后壁上的流涡诱导的突出物是引发匙孔不稳定的决定性因素。在没有磁场作用时，匙孔后壁的突出物会反射激光束，导致匙孔壁受热不均，从而引发匙孔形态的不规则变化。随着匙孔形态的改变，匙孔会经历一系列的动态变化，包括匙孔的扩张、收缩，最终导致匙孔塌陷和孔隙的形成。 2. 磁场对匙孔动态的影响 当施加一个约0.5特斯拉的横向磁场时，匙孔的不稳定性得到了显著抑制。具体来说，磁场通过驱动二次热电磁流体动力学流动，改变了匙孔后壁的流涡结构，从而减少了突出物的形成和匙孔的大振幅振荡。实验结果显示，在磁场作用下，匙孔的形态保持了较为稳定的“I”形，而不是在没有磁场时容易塌陷的“J”形。 磁场(B1-B5)与无磁场（A1-A5）钥匙孔形态比较 3. 扫描方向对匙孔动态的影响 研究还发现，激光扫描方向与磁场方向的相对关系对匙孔动态有着重要影响。当激光扫描方向从右向左时，磁场能够有效稳定匙孔，减少孔隙的形成；而当扫描方向从左向右时，磁场的作用则相反，会加剧匙孔的不稳定性。这种差异源于塞贝克效应诱导的洛伦兹力的方向变化，该力的方向取决于扫描方向与磁场方向的相对关系。 4. 钥匙孔振荡的量化分析 研究人员通过对匙孔振荡频率和振幅的量化分析，进一步揭示了磁场对匙孔稳定性的作用机制。在没有磁场的情况下，匙孔底部附近的振荡频率为2.3 kHz，振幅较大；而在磁场作用下，匙孔振荡频率显著降低，尤其是大振幅振荡的频率减少了71%。这表明磁场能够有效抑制匙孔的大振幅振荡，从而减少孔隙的形成。 钥匙孔振动的量化 研究结论与展望 这项研究通过实验和理论分析，揭示了磁场对匙孔动态的调节机制，并提出了通过磁场控制匙孔稳定性的新方法。研究结果表明，在LPBF等小尺度加工过程中，热电效应诱导的力是主导熔池流动的主要机制，而非传统的电磁阻尼力。 该研究不仅为激光焊接和LPBF技术中匙孔不稳定性问题提供了新的解决方案，也为未来制造技术的发展提供了重要的理论支持。通过磁场控制匙孔动态的方法，有望在不改变材料成分的前提下，显著提高制造零件的质量和性能。此外，该研究还为其他涉及热电效应的制造工艺提供了新的思路，例如功能梯度材料、双金属材料和复合材料的加工等。未来的研究可以进一步探索磁场强度、合金成分和加工参数之间的最佳组合，以实现更高效的匙孔稳定性控制。 注：本文由3D打印技术参考创作，未经联系授权，谢绝转载。

在工程实践中，晶格结构通常被紧凑的外壳所覆盖，以保持结构的几何形状并为内部微结构提供保护。为了进一步优化这些结构的性能，大量的研究致力于将具有优化拓扑的微结构填充到晶格中。然而，这种设计策略带来了额外的挑战，特别是要确保内部的晶格核心既能实现自支撑打印，又能为覆盖外壳提供足够的支撑。 3D打印技术参考注意到，来自北京理工大学和新加坡国立大学的研究团队在Materials & Design发表题为“Homogenization-based topology optimization for self-supporting additive-manufactured lattice-infilled structure”的文章，提出了一种用于自支撑增材制造晶格填充结构优化设计的方法，旨在解决这些问题。 https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.113264 该研究介绍了一种基于均质化拓扑优化的设计方法，用于制造自支撑的增材制造格子填充结构。该方法同时优化了宏观几何形状和微观结构的相对密度分布，通过在格芯的边界层引入八叉树结构，从而在制造过程中支撑顶层壳体。通过三点弯曲测试和全尺寸有限元模拟验证了该优化设计方法的有效性。与均匀填充样本相比，拓扑优化样本的质量比刚度和强度分别提高了41.2%和112.1%。该设计方法为设计高性能轻质结构提供了潜力，拓宽了格结构在工程应用中的边界。 均质化拓扑优化过程 研究中提出了一种针对增材制造格填充结构的优化设计方法，该方法参考了两步过滤方法。内部格芯被视为均质材料，其弹性模量被描述为格单元的相对密度函数。设计域被参数化，并根据密度插值函数被划分为三个子域：紧凑壳体（ρ=1.0）、均质格芯（ρ∈[0.1,0.6]）和空域（ρ=0）。 格子填充结构设计方法概述 通过拓扑优化，实现了相对密度和弹性模量在均质材料域内的最佳分布。为了获得实际的内部微结构，需要进行去均质化过程。去均质化后的结构随后合并形成内部格芯。 自支撑微结构填充+边界区域应用八叉树设计 为了确保在八叉树细分后的边界区域具有几何连接性，选择了基于杆件的格单元，即SC2-BCC和SC-BCC，来填充优化后的均质结构。通过均质化方法建立相对密度与有效弹性模量之间的关系，特别是引入了Gibson-Ashby方程来描述这种关系。基于八叉树结构的自支撑设计方法被提出，以控制格单元的相对密度上下限，以确保结构在增材制造过程中的自支撑性。 研究人员提出了一种优化设计方法，用于自支撑增材制造格填充结构，该方法同时优化了微观结构的相对密度分布和宏观几何形状。微结构根据局部相对密度填充到处理后的均质域中。在内部格芯的边界区域应用八叉树设计，以在增材制造过程中为顶部壳体提供足够的支撑。最后，将分别设计和建模的紧凑壳体和内部格芯组装在一起。 填充晶格晶胞的几何形状和有效模量：(a) SC2-BCC，(b) SC-BCC 配置和 (c) 两种类型晶胞之间边界处的连接 网格填充结构中壳体的自支撑设计 通过计算三点弯曲梁和悬臂梁案例，研究人员展示了设计方法的有效性和优化结果。结果表明，密度逐渐集中在边界条件应用的区域附近。 在拓扑优化后，对均匀结果场进行了去均质化处理，以获得实际结构。首先对均匀结果场进行投影，以匹配单元格尺寸。然后在边界的六面体元素上执行八叉树设计，并根据局部相对密度填充单元格。填充后，将格芯合并并修剪，然后与覆盖壳体组装。 为了验证所提出设计方法的可行性，设计并制造了一系列样品。首先，建模并制造了格体样品，以验证填充格结构的自支撑性。然后，引入了八叉树结构到顶层，以在增材制造过程中支撑顶层壳体。 3D打印的样品：（a）八叉树设计的晶格体（b）拉伸测试样品（c）均匀填充的三点弯曲梁（d）拓扑优化的三点弯曲梁（e） CT 重建模型和 (f) CT 切片 通过机械测试和有限元分析获得的载荷-位移曲线表明，两种结构在开始时都显示出线性弹性响应，随后是初始峰值载荷，这是由结构塌陷引起的。实验和数值结果表明，拓扑优化样本优于均匀填充样本。根据实验结果，特定质量的弯曲刚度和初始峰值载荷分别提高了41.2%和112.1%。 拉伸试验的应力-应变曲线 使用Abaqus®软件进行全尺寸有限元分析，以进一步评估设计的格填充结构的性能。选择了与制造样品相同的参数的三点弯曲结构进行有限元建模。为了比较，还建模了一个均匀填充的三点弯曲梁。在商业有限元软件Abaqus中，选择了双节点梁元素（B31）来网格化格杆，并选择了四节点四边形元素（S4）来网格化覆盖壳体。 拓扑优化梁和均匀填充三点弯曲梁之间的比较：(a) 有限元模型和 (b) 载荷-位移曲线。通过 (c) 机械测试和 (d) 有限元分析测量初始峰值负载下样品的变形 结论 本文提出了一种基于拓扑优化方法的格填充结构设计方法。该方法同时优化了设计域内的宏观几何形状和微观结构的相对密度分布。开发了一种均质拓扑优化的微结构填充方法，用于在均质域中建模周期性微结构。在边界层进行了基于八叉树结构的自支撑设计，以在制造过程中支撑覆盖壳体。通过数值模拟和实验测量验证了该方法的可行性。实验结果表明，优化设计后的质量比刚度提高了41.2%，质量比强度提高了112.1%。所提出的自支撑增材制造格填充结构设计方法为设计高性能轻质结构提供了潜力，拓宽了格结构在工程应用中的边界。

钛合金具有低密度、高比强度、优异耐蚀性、良好生物相容性以及无磁等特点，在航空航天、海洋工程、生物医用等领域得到了广泛应用。钛合金按照组织结构通常可分为密排六方（HCP）α型钛合金、体心立方（BCC）β型钛合金和α+β（HCP+BCC）型钛合金三种类型，尽管α+β型钛合金综合性能较好，但通常依赖钒（V）、铝（Al）、钼（Mo）、铬（Cr）等金属相稳定元素合金化而成，成本高，能耗大，消耗战略资源。 3D打印技术参考注意到，北京科技大学曲选辉、秦明礼、陈刚教授团队与合作者近日提出了高强韧钛合金的素化设计新策略，创造出一种新型组织结构——密排六方（HCP）+面心立方（FCC）的双相钛合金。 https://www.nature.com/articles/s41563-025-02118-9 特别是，该新型钛合金中并未使用钒（V）、铝（Al）、钼（Mo）、铬（Cr）等金属合金化元素，仅使用了通常认为对钛合金塑性“有害”的氧元素进行组织调控，使合金内部生成FCC相。该新型钛合金是采用3D打印工艺制备，以团队自主发明的低成本流化改性纯钛粉（成本较传统雾化钛粉降低50%以上）为原料。 3D打印打印双相Ti–0.67O 的力学性能 由于钛活泼易氧化，在钛粉表面形成了一层氧化膜，在3D打印过程中冷却速度极快，氧化膜内部的氧原子无法及时扩散，造成氧原子局部富集，结合打印过程中产生的极大热应力协同诱导了HCP→FCC的相变反应。逐层打印后，大量纳米尺度的FCC相均匀弥散分布于HCP基体中，从而制备出了HCP+FCC双相钛合金，并且可通过调控钛粉颗粒表面氧化膜厚度、氧含量以及打印工艺，有效调控FCC相的含量、尺寸和分布状态，实现氧元素在HCP和FCC两相中的合理分配，最终获得优异的力学性能。 钛粉表面氧化膜及HCP+FCC双相钛合金显微组织表征 研究发现，该合金中FCC相含量可超过20%，均匀弥散分布于HCP基体中，且两相界面可呈共格结构。应力条件下，纳米尺度FCC相内部会产生堆垛层错以及应力诱导孪晶（TWIP）效应，加上其第二相弥散和氧原子固溶的协同强化作用，使得合金强度得到大幅提升的同时，仍保持了优异的塑性，其室温抗拉强度为1119.3MPa，屈服强度为1003.5MPa，断裂延伸率仍达到23.3%，强度与应用最为广泛的Ti-6Al-4V合金（α+β型钛合金）相当，但其塑性几乎是后者的2倍，展现出优异的强韧性。 HCP+FCC双相钛合金的力学性能及强韧化机制分析 总的来说，该研究创造出一种新型的HCP+FCC双相钛合金，丰富了钛合金材料的家族。特别是，不使用稀有或昂贵金属合金元素，只使用微量的氧元素进行组织性能调控，不仅颠覆了“氧不利于钛塑性”的传统认知，实现了高性能钛合金的素化设计，而且打破了强度与塑性的制衡关系，所制备HCP+FCC双相钛合金展现出优异的强韧性。该工作为高性能金属材料的素化设计提供了新思路，不仅具有极大的经济效益，而且有利于资源环境的可持续发展。 该研究成果以“Lean design of a strong and ductile dual-phase titanium-oxygen alloy”为题发表在《Nature Materials》期刊。北科大为该论文的第一通讯单位，曲选辉、秦明礼、陈刚教授，以及澳大利亚昆士兰大学Jin Zou教授为共同通讯作者，博士生丁旺旺、陶麒鹦、刘畅为共同第一作者。日本东北大学、辽宁材料实验室、韩国延世大学、美国斯坦福大学、澳大利亚昆士兰大学、新西兰奥克兰大学、宁波钛钽新材料技术有限公司为该论文的合作单位。