钛合金密度约为水的4.4倍，按常理注定与水无缘；但当激光3D打印在毫米尺度上把钛重新编排成中空的晶格，并在每个支柱里藏进一段密封泡沫后，金属也能学会游泳。近日，澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT）增材制造中心与法国巴黎国立工艺学院合作，在材料领域顶刊《Advanced Materials》上发表研究，报告了全球首个能漂浮在水面的钛-聚合物开孔混合晶格超材料。样品在淡水中连续漂浮超过两个月，即使开裂破损依然不沉，同密度下强度比海洋工程常用材料高出七成，为金属晶格进入海洋基础设施打开了大门。
一、金属晶格可以极轻却注定沉没：一对困扰海洋应用的矛盾
金属晶格超材料凭借周期性点阵结构，在生物医学、航空航天、国防与热管理等领域已展现出变革性潜力，但在海洋领域的应用长期受阻。原因在于一个看似矛盾的事实：金属晶格可以做得极轻，密度甚至不到水的十分之一，但其开放、连通的空间会让水轻易渗入，一旦浸入水中，结构就会因进水增重而下沉。论文主要研究者、RMIT增材制造中心的乔丹·诺罗尼亚（Jordan Noronha）博士指出，正因如此，这些又强又轻的结构长期无法用于海洋设施，直到这次研究改变局面。
传统解决思路是给金属结构外加浮材或密封外壳，但这样既增加装配工序，又削弱了晶格开孔结构的通透特性。RMIT团队要解决的，是如何让水从结构外部自由流过，而结构本身依然浮在水面。论文第一作者领衔的研究显示，答案藏在一个"意外"里：团队早前为提升承载性能开发的空心支柱钛晶格，其支柱内部天然形成了密封空腔通道，这些通道恰好可以成为聚氨酯泡沫的灌注路径，在保持晶格外侧开孔的同时，把内部空间彻底封死，为浮力创造了物理前提。
研究发表于《Advanced Materials》，论文题为《突破水面：浮力金属-聚合物开孔混合晶格超材料》（Breaking the Surface: Buoyant Metal-Polymer Open-Cell Hybrid Lattice Metamaterials）。研究由RMIT增材制造中心牵头，团队包括诺罗尼亚、乔伊·塔隆、拉德·奥马尔、杰森·达什以及安德烈·莫洛特尼科夫、马丁·利里、米兰·布兰特与项目负责人马前教授等，并获澳大利亚研究理事会与RMIT工程学院支持。
二、骨架密度准则：一把衡量"能否浮起来"的通用尺子
要让工程师不再靠试错判断结构能否漂浮，团队提出了一个名为"骨架密度"的新指标。传统密度计算把晶格结构内的所有开放空间都计入体积，但这些空间一旦进水便对浮力毫无贡献；骨架密度则只统计结构中真正能排开水的那部分，也就是钛支柱壁和密封的泡沫填充通道。由此得到一条简洁的设计准则：只要骨架密度低于周围液体的密度，结构就能漂浮，哪怕水从所有外部开口流过。
以水为例，骨架密度低于约0.997克每立方厘米的结构即可浮起。为验证这一准则，团队用激光粉末床熔融工艺3D打印了Ti-6Al-4V钛合金开孔晶格，支柱内部形成细长空腔，随后向空腔注入可膨胀聚氨酯泡沫。泡沫在支柱内部以1比9到1比12的比例膨胀，形成密度仅0.077至0.112克每立方厘米的闭孔填充物，闭孔中密封的气泡像无数微型浮舱，阻止水灌入空心支柱。实测骨架密度比计算机模型预测值仅高出约7.4%，在四种内通道直径2.5至4.0毫米的晶格结构中，骨架密度处于0.80至1.27克每立方厘米区间，预测与实验高度吻合。
这套准则的价值在于通用性。研究团队强调，骨架密度的判定规则不限于钛合金、聚氨酯与水这一组材料，任何合金搭配任何聚合物、浸泡在任何液体中，都可以套用同一套几何判定逻辑。这意味着工程师在设计浮力结构时，不必再依赖经验试错，而是可以直接用材料密度与结构几何算出结论，为金属晶格的海洋应用提供了可复制的设计方法论。
三、强度高出七成、海水两周仅失重0.15%，抗损能力超预期
能浮只是及格线，在海洋环境里站得住才是真本事。测试显示，在整体密度接近0.27克每立方厘米的匹配条件下，钛-聚氨酯混合晶格的屈服强度达到10.3兆帕，约为同密度高密度聚乙烯的1.9倍、316L不锈钢的1.5倍。换言之，在相同总密度下，这种新型钛结构的强度比码头、浮标和漂浮传感器上广泛使用的不锈钢或高密度塑料高出70%，轻与强第一次在海洋材料里同时成立。
耐海水侵蚀同样是海洋应用的生命线。团队采用墨尔本菲利普港湾的天然海水进行短期腐蚀测试，浸泡两周后，晶格质量仅损失0.15%，屈服强度与压缩强度下降均不到1%，表现优于许多传统海洋金属结构件。更难得的是其损伤容限：研究团队对漂浮中的晶格进行逐级压缩加载并持续检查浮力，结果显示，结构在达到极限压缩强度、出现节点断裂、甚至整层晶格断裂之后，依然保持漂浮；只有当被严重压碎压实、工程应变达到约37%导致骨架密度重新超过水的密度时，它才会沉没。
这种"破而不沉"的特性来自闭孔泡沫的分布式防护。诺罗尼亚博士解释，泡沫中密封的微小气泡把气体锁在空心支柱内，阻止海水灌入，相当于在整个结构内部布设了无数道浮力屏障，这与传统空心海洋结构开裂后会迅速进水沉没形成鲜明对比。对海洋浮体而言，抗撞击、抗疲劳、抗意外破损的能力往往比静态强度更关键，这一特性让该材料在真实海况下具备实用价值。
四、从倾斜45度的浮标到深海展望，设计准则打开一扇门
为了证明技术不只是实验室里的样品，团队3D打印了一个高100毫米、宽85毫米的海洋浮标原型，并在湍流海水罐中测试。结果显示，浮标绕中心轴连续倾斜至45度仍能稳定漂浮，全程无需密封套管、保护涂层或额外浮体。相比当前钛制海洋部件需要单独外挂浮力材料的做法，这种一体化的"钛框架加内部泡沫"结构直接省掉了浮力模块的装配环节，既减重又减少失效点。
项目负责人马前教授表示，下一步将放大演示件尺寸，并在接近真实的海洋与深海条件下开展长期性能测试。他同时指出，这种结构的可调性极强：通过更换钛框架内部填充的材料，同一套晶格架构还可以针对能量吸收、热管理、减振等不同需求进行定制，应用范围远不止海洋工程。从近海浮标、漂浮式传感器、水下装备壳体到救生装置，凡是需要耐蚀、轻量与持久浮力兼顾的场景，都有它的用武之地。
从产业视角看，这项研究的意义不止于一个会浮的钛件。它证明激光粉末床熔融打印的金属晶格完全可以从"承力结构"进化为"功能超材料"，把材料性能的边界推向此前被认为不可能的方向。对钛合金粉末供应链而言，海事与能源领域新增的浮力结构需求，也为钛粉打开了一条全新的产品线；空心支柱晶格打印还对粉末的粒度与球形度提出了更高要求，细粉与高流动性粉末有望成为新的议价点。当金属学会漂浮，海洋装备的设计语言也将随之改写。
| 测试项目 | 测试条件 | 结果 |
|---|---|---|
| 持久浮力 | 淡水连续浸泡 | 漂浮超2个月 |
| 同密度强度 | 整体密度约0.27克每立方厘米 | 比316L与HDPE高70% |
| 耐海水腐蚀 | 天然海水浸泡2周 | 失重0.15%，强度降幅小于1% |
| 损伤容限 | 开裂、节点与整层断裂 | 仍保持漂浮 |
从密度4.43克每立方厘米的实心钛，到能托起自身、破而不沉的浮水钛结构，RMIT团队用一把"骨架密度"的尺子，破解了金属晶格与浮力之间的百年矛盾。这项研究不仅刷新了材料科学的想象力，更让3D打印金属在海洋、能源与国防领域有了全新的用武之地，也为整个增材制造行业示范了如何用结构设计改写材料的物理命运。
来源：澎湃新闻、3D打印网、Advanced Materials