2026年9月4日，澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT）研究团队创造了首个能漂浮在水中的金属-聚合物开孔混合晶格超材料，解决了多孔金属结构与浮力之间的根本矛盾。这项研究把3D打印钛晶格与注塑聚氨酯泡沫结合起来，实现了低于1.0 g/cm³的骨架密度。这项研究由RMIT增材制造中心（RCAM）与巴黎国立工艺学院（CNAM）合作完成。
众所周知，钛合金Ti-6Al-4V的固有密度为4.43 g/cm³，大约是水的4.4倍。为了让这种材料浮起来，研究者必须解决一对矛盾：晶格开孔结构能大幅减重，但传统的晶格密度计算把所有空隙空间都算了进去，包括内部通道和与周围环境相连的开放孔隙。结构一旦浸入水中，水会轻易渗进这些开放孔隙，增加质量并让晶格下沉——无论基材本身多轻。△相关研究成果已发表在《Advanced Materials,》期刊，研究题目为“突破水面：浮力金属-聚合物开孔混合晶格超材料”
为了解决这个问题，团队开发了一种名为"骨架密度"的指标，它排除外部可及的孔隙率，只考虑支柱壁以及内容物的密封质量和体积。也就是说，按这套算法，只有真正被"封起来"的那部分材料才算进密度里。
往空心支柱里注泡沫
空腔从哪来？答案来自RMIT同一个实验室更早的一项研究。团队此前在Ti-6Al-4V合金中引入了空心支柱晶格，把两种互补的晶格拓扑结构结合成单一的多拓扑结构设计，这种结构的强度比密度相近的铸造镁合金WE54高50%，优化目标是实现载荷分布而非防止浮选。有趣的是，空心支柱在每个支柱内部留下了一个空腔，在新研究里，这些空腔通道恰好成了聚氨酯泡沫的注入通道，让研究者能在保持晶格外部开孔结构的同时，把内部空间密封起来。可膨胀聚氨酯泡沫被注入激光打印钛合金晶格的空心内部通道中，在支柱内部以1比9到1比12的比例膨胀，形成密度仅为0.077到0.112 g/cm³的闭孔聚氨酯填充物。结构设计为浮力解决方案创造了物理前提条件，尽管它当初并非为此而设计。
最终，实验结果与预期相符。实测骨架密度比计算机模型预测值高出7.4%±0.6%，在四种不同晶格结构（内通道直径2.5至4.0毫米）中，密度范围为0.80至1.27 g/cm³。骨架密度低于0.997 g/cm³的晶格结构在淡水中漂浮超过两个月，没有观察到明显的漏气或进水现象；密度高于这个阈值的结构则下沉，与模型预测完全一致。
值得关注的是，这种混合晶格在单位密度强度方面也优于传统的海洋材料。在约0.27 g/cm³的相同堆积密度下，钛-聚氨酯混合材料的屈服强度为10.3 MPa，约为高密度聚乙烯密度标度强度的1.9倍、316L不锈钢的1.5倍。在取自菲利普港湾的天然海水中浸泡两周后，样本质量仅损失0.15%，屈服强度和抗压强度下降不到1%。
压裂之后依然能浮
或许最引人注目的结果与损伤容限有关。研究团队对漂浮的格状结构进行可控压缩，并在每个失效阶段检查浮力，结果表明这些结构在达到极限抗压强度后、初始节点断裂后，甚至在整层断裂后仍然能够漂浮。随着致密化过程开始，体积压缩把晶格结构物理性压实，最终骨架密度超过水的密度，浮力才消失。预测的4.0毫米变体临界浮力阈值约为26%工程应变，而致密化过程中测得的应变为37.2±0.006%。论文还指出，测试的应力状态远高于典型使用条件下的预期值。
为了在实际应用中验证可行性，团队制作了一个高100毫米、宽85毫米的浮标原型，并在湍流海水中测试。结果表明，这个浮标在没有任何外部密封或辅助浮力装置的情况下，即使围绕中心轴持续旋转高达45度，也能保持稳定漂浮。这项研究的意义不止于“钛合金能浮起来”。在真实海洋场景中，浮标要扛得住波浪冲击和长期海水腐蚀，损伤容限比单纯的漂浮指标更实用。如果金属打印件不再需要额外密封外壳就能直接漂在水面上，水下传感、海洋监测、海上无人系统这些场景的设计逻辑，可能就需要重新考虑了。
来源：南极熊
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