近日，南京航空航天大學迎來首篇 Science 一作論文，第一作者是南航材料科學與技術學院、江蘇省高性能金屬構件激光增材制造工程實驗室顧冬冬教授。

同時他也是南航校友，其博士畢業于該校。顧冬冬告訴 DeepTech，得益于南航不拘一格降人才地選拔青年教授的人事政策，在畢業留校后的第四年，他實現了從講師到副教授再到教授的職稱 “三級跳”。

而今，他再次創造了南航記錄。事實上，在中國航空航天領域，有很多像顧冬冬這樣潛心科研的航天院校科學家。

航天發射、航空運載時使用的高端裝備，其性能很大程度上依賴構件的高性能，而這些高性能金屬構件的服役環境極端苛刻，因此對構件選材、制造工藝、性能 & 功能等要求極高。

對于那些難以加工的金屬構件，激光增材制造（Laser Additive Manufacturing，LAM）技術可滿足其短周期、高精度、高性能制造等需求。

但是，激光增材制造也面臨著一個核心挑戰，其逐點逐域的局部成形特性，使得工藝過程和成形性能會涉及到宏觀–介觀–微觀等起碼 6 個數量級的大跨尺度形性協調。

在傳統增材制造中，一般采用結構設計–材料選擇–加工工藝–實現性能的 “串聯式路線”。但是，材料、結構和工藝這些因素雜糅起來，會導致耦合規律復雜。因此，在高性能金屬構件的制備中，往往需要反復試錯才能精確成形。

例如，行星著陸器的 “大底” 部件的傳統加工制造，一般要經過多種工藝步驟的不斷嘗試和耦合，目前仍面臨著結構選擇和材料選擇有限、過程復雜、性能&功能不足等局限。

基于此，顧冬冬革新傳統串聯式的增材制造路線，并提出 “材料–結構–性能一體化增材制造”（MSPI-AM）的概念，從而實現在復雜整體構件內部，同步實現多材料設計與布局、多層級結構創新與打印，最終可實現相關構件的高性能和多功能。

他表示，金屬零件可同時滿足多種需求，已成為業內的盼望之一：即某個零件能在不同位置、使用不同材料、打印不同結構，最終實現不同功能。例如有的部位能耐熱，有的部位能承重，而 MSPI-AM 恰恰可以實現該功能。

據悉，基于 MSPI-AM 策略，可并行設計多種材料、多類新結構和相應的 3D 打印工藝，且具備相互兼容性，可給激光 - 金屬的一體化增材制造提供系統性解決方案。

5 月 28 日，相關論文以《材料–結構–性能一體化激光金屬增材制造》（Material-structure-performance integrated laser-metal additive manufacturing）為題發表在 Science 上，顧冬冬擔任第一作者和通訊作者，這也是有著 “國防七子” 之稱的南航發表的第一篇 CNS 正刊論文。

雖然是一個零件，但是不同部位有不同功能

為證明該制造方式的合理性。 “下一代空間探測器著陸器系統的整體化和多功能化發展趨勢” 為例，顧冬冬驗證了“并行模式” 的金屬整體結構 3D 打印的可行性。

為了驗證本次方法的合理性，顧冬冬面向下一代空間探測器著陸器系統的發展趨勢，就隔熱 / 防熱、減震抗沖擊、空間抗輻射等需求，設計與布局了鱗腳蝸牛殼的層狀復合結構、水蜘蛛的水泡構型、多孔蜂窩等仿生結構。

研究中，該團隊設定了一個目標 —— 讓未來探測器的著陸器可實現隔熱、防熱，能減震、抗沖擊和抗空間輻射，并從自然界中的昆蟲和動植物獲得靈感，構想出了空間著陸器的 “大底” 構件。

具體來說，顧冬冬主要參考了三種生物的結構，分別是鱗腳蝸牛殼、水蜘蛛和蜂窩。其中，生活在海底熱泉附近的鱗腳蝸牛的外殼非常硬，并且是一種層狀復合結構，給未來空間著陸器 “大底” 構件布局上這種結構，空間著陸器就能像盔甲一樣堅固，此外還可隔熱防熱。

給空間著陸器 “大底” 設計減震結構時，顧冬冬參考了水蜘蛛的結構，這種蜘蛛會自行在水底造 “房子”，房子外觀呈水泡形，“房子” 墻壁由水草和蜘蛛絲連接而成，可承受不同方位和不同流速的水流沖擊。

據此，顧冬冬設計了空間著陸器 “大底” 部的減震結構，和水蜘蛛 “房子” 一樣，該減震結構中縱橫交錯著 “蜘蛛絲”，從而可給予空間著陸器減震抗沖擊的功能。

空間著陸器 “大底” 的表面設計，參考了蜂窩結構，上面附著一層多孔蜂窩狀的高溫結構材料，當空間著陸器和大氣摩擦時，這種設計可避免引起燒損。

此外，他還基于碳納米管增強金屬基復合材料、陶瓷 / 金屬梯度復合材料等材料，實現了仿生多材料整體構件的 MSPI-AM，相關高性能和多功能也可以得以實現。

以鋁合金為例，憑借質量輕的優點，它在航空航天領域有著廣泛應用。但在該領域，鋁合金的熔點并不算高，只有 600 多攝氏度，因此難以在空間著陸器著陸時承受高溫。為此，顧冬冬在相關材料中添加了熔點接近 3000 攝氏度的二硼化鈦陶瓷，從而提高空間著陸器的耐熱性。

在適宜位置打印適宜的材料，為獨特功能打印獨特的結構

研究中，顧冬冬還定義了 MSPI-AM 的兩大特征及其內涵。

MSPI-AM 第一個特征，是 “在適宜的位置打印適宜的材料”。顧冬冬從合金和復合材料內部多相布局、二維和三維梯度多材料布局、材料與器件空間布局等入手，將多材料構件激光增材制造的科學內涵、成形機制與實現途徑一一展現。

MSPI-AM 的第二個特征是 “為獨特的功能打印獨特的結構”。借助該特征，他發現拓撲優化結構、點陣結構、仿生結構增材制造這三種的典型結構創新設計的本質，是分別將優化設計后的材料和孔隙、天然優化的結構、以及最少的材料打印到最合適的位置。

隨后，基于上述三種結構創新設計和增材制造，他提出了實現輕量化的、可承載的、可減震吸能的、以及可隔熱防熱等多功能化的方法、挑戰和對策。

概括來說，該研究建立了 MSPI-AM 的跨尺度實現原理和調控方法，包括微觀尺度的材料組織與界面調控、介觀尺度的粉末激光熔凝和致密化工藝控制、以及宏觀尺度的構件結構與性能精確協調。

在論文最后，顧冬冬還總結與展望了 MSPI-AM 的未來方向，比如更加數字化的材料創成和結構創新、更具自主決策功能的打印裝備、更加智能化的打印過程等。

該研究的最大難點在于將適宜的材料打印到適宜的位置，顧冬冬表示，當前單一材料的 3D 打印已經比較成熟，但多種材料的打印還有較大挑戰，同時這也是一個研究熱點。

每打印一層材料，都得設計不同的結構。要是打印的材料種類不同，還得調試激光參數和掃描模式等。再比如說，從調控原子尺度的 3D 打印材料顯微組織，到打印成肉眼可見的成品零部件，還需考慮打印時的變形和開裂等問題。

為此在實驗中，他和團隊反復進行多類結構、多種材料的激光 3D 打印實驗研究，并開展了熱傳導實驗、抗沖擊實驗等功能驗證，為的是建立高性能 & 多功能金屬構件激光增材制造的材料 - 結構 - 工藝 - 性能的內在關聯及一體化調控方法。

在同期雜志上，Science 主編以 “跨尺度調控” 為題，就該論文撰寫了評論文章，其認為：“這種更為綜合的方法將有助于減少制造所需的工序數量，并擴大可用于最終應用零部件的結構類型。”

原文標題：南航大學提出增材制造新路線，該校首篇一作Science，可實現航天著陸器承載、隔熱、減震三位一體｜專訪

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責任編輯：haq