增材制造攻克形状记忆难题，量产抗断裂复合材料成现实

自麻省理工学院从事博士后研究以来，材料科学与工程副教授Hang Yu一直在努力攻克规模化制造抗断裂形状记忆陶瓷的技术难题。如今，他与博士生Donnie Erb及博士后研究员Nikhil Gotawala合作取得了突破性进展。

材料科学与工程副教授Hang Yu，在他用于先进制造研究的微型增材摩擦搅拌沉积设备前

Hang Yu团队采用一种名为“增材摩擦搅拌沉积”的先进制造技术，将功能性陶瓷颗粒嵌入金属基体中，成功研发出一种高强度、无缺陷的新型复合材料。该材料能在应力作用下发生相变以耗散能量，且与传统脆性陶瓷不同，可实现高密度、一体成型的规模化3D打印。这一突破为国防、基础设施、航空航天乃至高性能运动装备等领域的实际应用，开辟了新可能。

“这种复合材料能承受拉伸、弯曲和压缩载荷，并通过应力诱导的马氏体相变吸收能量，”Hang Yu解释道，“它具有多功能特性，使我们能够朝着制造具有实际应用潜力的大型构件迈进。”

释放脆性陶瓷新潜能
Hang Yu的团队并非首个尝试破解形状记忆陶瓷密码的研究组。这类材料能在应力或温度作用下改变内部结构，又能恢复原状，其价值在于无需齿轮或活动部件即可实现运动或吸收能量——这一特性常见于镍钛合金等金属材料中，但要让陶瓷实现同样效果却困难得多。

“在我做博士后期间，我的导师团队曾在《科学》杂志发表论文证明：若将这类材料制成微米尺度，陶瓷脆性便不再构成主要障碍，并能观察到形状记忆效应。”Hang Yu回忆道。然而，如何将形状记忆陶瓷规模化制备以应用于结构领域，始终是未解难题——材料总会断裂。

Hang Yu解释道，这项新技术将微小的形状记忆陶瓷颗粒嵌入金属基体，“就像把巧克力碎粒拌进饼干面团”。随后，混合物被送入增材摩擦搅拌沉积设备——这种先进制造工具通过高速旋转原料使其在不熔化的状态下融合。最终得到的复合金属材料内部陶瓷颗粒均匀分布，可在发生形变时保持整体结构不破裂。

“该研究首次通过可规模化的固态3D打印工艺，制备出大块形状记忆陶瓷-金属基复合材料。”Hang Yu总结道。

Hang Yu副教授（右）与实验室成员合影，其中包括Nikhil Gotawala（左）和Donnie Erb '15, M.S. '18（左三）。他们是Hang Yu在近期发表于《材料科学与工程R：报告》期刊论文的共同作者

更坚固的材料，更智能的应用
这种新材料首次在宏观尺度上实现了应力诱导相变，有望弥合学术创新与工业实际应用之间的鸿沟，其潜在应用领域涵盖国防系统的减振缓冲、航空航天、基础设施乃至体育用品等领域。

例如，嵌入陶瓷的金属材料可用于制造高尔夫球杆杆身，在保持轻量化的同时有效减少振动。“这种复合材料在保留金属原有适用性的基础上，为其增添了新的功能，”Erb解释道。

他进一步补充：“这就像‘梦想之地’的情景——只要我们造出来，总会有人发掘出它的有趣用途。此前人们已证明这种材料在微米尺度可行，而我们正在宣告‘现在你可以按需获取任意数量的材料’。我们为它实现了尺度的跨越。”

先进制造的持续突破
这项新研究凸显了弗吉尼亚理工大学作为先进制造研究重镇的地位。身为弗吉尼亚理工大学“制造中心”成员的Hang Yu，曾在国家科学基金会和美国陆军研究实验室的支持下开展增材摩擦搅拌沉积技术的应用研究。

Hang Yu谈到，这种复合材料极具研究价值，而陶瓷的形状记忆功能正是我从博士后阶段就持续探索的方向。如今我主要以增材摩擦搅拌沉积技术研究为人所知。现在我能将这两大研究方向融合，开拓出关键的新应用领域，这令人无比振奋。