据designnews网站2019年3月15日刊文，英国伦敦帝国学院研究人员通过模仿高强金属合金中更不规则的微尺度晶体结构，找到了一种制造更耐损伤材料的方法。这一技术突破可能开发出具有全新特性的材料，如更高强度，更轻重量以及更强抗应力损伤能力。
在材料科学中，以模仿自然的结构形式来设计材料，通常可以产生更好的结果，例如更高的强度和更轻的重量。典型的设计材料由“单元格”构成，这些单元格的排列按相同方向规律排列，如具有重复节点和桁架的网格(类似于金属单晶的排列：晶格中的节点等同于单晶中的原子，桁架相当于原子键)。
虽然这种类型的单晶材料非常适合高温应用，但其抗机械应力性能并不是很好。当材料过载时，可能出现局部的高应力带(“剪切带”)，导致材料以裂缝的形式发生高度局部变形，最终导致材料破坏。该团队的研究报告“受晶体微观结构启发的耐损伤的设计材料”发表在2019年1月7日的“自然”杂志上。
模仿金属的微观晶体结构
金属合金的晶格是独特的结构。在原子水平上，它们由相同类型和方向的单元格组成，但是位于许多域中，每个域与附近域的晶格取向不同(与单晶排布不同)。来自伦敦帝国理工学院材料系和谢菲尔德大学的材料研究人员通过构建晶格单元，找到了一种模拟金属和合金晶体微观结构的方法，这些单元格是由桁架连接的有序节点排列组成。
使用计算机辅助设计包，该团队随后能够3D打印这种“亚晶”材料，得到的样品比典型材料更耐开裂和弯曲，同时更轻更强。团队发现，通过减小结构内每个颗粒状晶格区域的尺寸，它可以增加亚晶体的强度。这些材料也可以以特定的预定结构路径引导损伤的方式产生，以最小化和停止损伤。该技术可用于制造具有所需特性的多功能材料零件和部件，例如，可以在不牺牲安全性的情况下减轻重量并提高车辆的燃油效率，航空发动机或涡轮叶片中的风扇叶片。
晶格设计多次强化材料
为了达到研究目的，该团队使用熔融沉积建模，粉末床熔融工艺制备样品。迄今为止，研究人员已经打印了三种类型的聚合物，以及包括316L钢和Ti6Al4V在内的金属。原则上，打印的晶格可以采用任何一种材料制成，包括钨、镍合金甚至生物材料。基本上，这种晶格设计方法可以多次应用来增加设计材料的强度。
“顺序”(晶格)因域而异；但是在域内，晶格取向是一致的，或者是多晶取向的。目前研究人员正在开发一个计算平台，以实现最优的多晶格取向。
该技术是一种创造复杂和定制组件的有前途的方法，这些组件不需要大量生产，但具有高附加值，例如医疗设备或昂贵的飞机部件。该团队还认为，创建晶体金属合金的新方法将带来新的实验和计算研究，为晶体内部的微观结构的设计和理解带来提升。
展望未来，研究人员希望利用这项技术开发出一种轻质，坚固耐用且智能的新型材料。
