Gibson-Ashby模型是描述多孔材料力學性能和密度的經典公式，廣泛用於包括機械超材料在內的各類多孔金屬材料的設計或性能預測。自從2000年代初金屬3D列印被廣泛用於金屬機械超材料的製備以來，雖然研究者們對金屬機械超材料的性能調控進行了深入的研究，但其力學性能（例如相對屈服強度與相對密度的關係）一般難以系統地突破Gibson-Ashby模型的經驗上限。
馬前教授團隊發表的相關論文
近期，澳大利亞皇家墨爾本理工大學傑出教授馬前團隊通過採用多拓撲結構設計方案（見圖一）和雷射粉床3D列印，製備了多孔體輕質高強鈦合金。在20-40% 的相對密度範圍內，相對屈服強度系統性地顯著超越了Gibson-Ashby模型的上限 （見圖二）。其中，與目前最強的商業鎂合金WE54相比（屈服強度=165 MPa）， 在同樣的密度相情況下 (1.8 g/cm3)，屈服強度(263 MPa) 要高出60%左右。
該工作近期以題為「Titanium multi-topology metamaterials with exceptional strength」, 發表於Advanced Materials 2024, 2308715, DOI: 10.1002/adma.202308715.
其設計思想如圖一所示，在空心杆結構的母體點陣材料 (HSL) 中貫穿一個薄板結構的點陣材料 (TPL) , 從而形成一個創新的多拓樸結構點陣材料（TP-HSL）。該結構的設計思想是基於自然界中多孔材料體質量高效分配以實現結構效率和多功能特性的巧妙的設計方式，而且在每個主要的加載或受力方向，其結構均勻對稱，性能一致。該類多拓撲結構鈦合金材料有望在多個領域獲得應用， 包括航空航天、醫療器械、 化學工程和新能源生產等領域。
圖一：多拓樸結構的多孔鈦合金材料設計示意圖。設計的鈦合金多孔材料密度為1.0-1.8 g/cm3. 其中的藍色結構部分為母體的空心杆結構的點陣材料 (HSL), 而貫穿於其中的其中的黃色結構部分為薄板結構的點陣材料 (TPL)。兩者緊密結合成TP-HSL的多拓樸結構。圖的底部所顯示的三個樣品為列印後密度為1.0-1.8 g/cm3的多拓樸結構鈦合金材料。
圖二：所列印的多拓樸結構的多孔鈦合金材料性能（屈服強度，彈性模量，相對密度）與現有各類多孔金屬材料性能對比。圖中的紅色破折線為現有多孔金屬材料的經驗強度極限。藍色空心三角符號代表了多拓樸結構多孔鈦合金材料（TP-HSL）的力學性能，其相對屈服強度明顯超過現有的經驗強度極限 （上圖），而其相對彈性模量與目前最好的多孔金屬材料的性能相當（下圖）。
上述研究工作再次證明了金屬機械超材料作為新一代輕質高強多孔金屬材料的潛力。有理由相信，隨著結構設計的不斷創新，金屬機械超材料的性能將會有進一步的突破。
論文連結：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202308715