《Journal of Materials Research and Technology》：Compressive Mechanical Properties of Hierarchically Porous 316L Stainless Steel Interpenetrating Composites under Quasi-static and Dynamic Loadings
编辑推荐：
本研究提出了一种混合制备策略，用于制备具有增强压缩力学性能的多级孔互穿不锈钢复合材料，适用于准静态与动态加载条件。研究人员采用冷冻铸造(freeze casting)技术构建单向微通道，并结合增材制造(additive manufacturing)制备的三重周
本研究提出了一种混合制备策略，用于制备具有增强压缩力学性能的多级孔互穿不锈钢复合材料，适用于准静态与动态加载条件。研究人员采用冷冻铸造(freeze casting)技术构建单向微通道，并结合增材制造(additive manufacturing)制备的三重周期极小曲面(triply periodic minimal surface, TPMS)结构增强体。通过激光共聚焦扫描显微镜、扫描电子显微镜(SEM)及投影X射线显微术(PXM)表征了冷冻铸造支架、3D打印增强体及混合结构复合材料的多级结构。准静态压缩试验表明，混合结构多孔材料的力学性能可通过改变增强体的重复单元数和相对密度进行调控。测得的孔隙率、弹性模量、屈服强度、平台应力、致密化应变及能量吸收范围分别为52.3–64.7%、1.1–5 GPa、30.7–56.6 MPa、72.3–153.7 MPa、43.8–48.5%及22.6–48.1 MJ/m3，其中四重复单元、20 vol.%相对密度的样品表现出最高的能量吸收性能。与传统多孔复合材料相比，混合结构多孔材料具有更高的平台应力和能量吸收，体现了互穿结构和增强体设计的优势。在准静态压缩下，混合结构复合材料发生均匀坍塌而无相分离；在直接冲击霍普金森杆(DIHB)动态加载下，材料保持了塑性变形能力与结构完整性，力学性能提升超过10%。综上，本研究展示了通过增材制造与冷冻铸造相结合制备多级孔金属基互穿复合材料的可行策略，在冲击防护与轻量化吸能部件中具有重要应用潜力。
研究背景方面，传统金属基复合材料(MMCs)常因陶瓷增强体的脆性和界面结合差导致韧性不足，而互穿相复合材料(IPCs)通过基体与增强体双连续拓扑结构可实现力学互锁与裂纹阻碍，提升整体性能。现有IPCs多采用全致密固相结构，重量大且缺乏针对能量吸收的优化设计，尤其在动态载荷下的力学响应研究有限。316L不锈钢因耐蚀性、高强度及优异的增材制造适用性被广泛关注，结合冷冻铸造的各向异性层状孔结构与TPMS几何的高比强度特性，有望实现轻量化与高吸能的平衡。因此，研究人员提出融合增材制造与冷冻铸造的混合制备策略，开发具有仿生多级孔结构的316L不锈钢互穿复合材料，系统评估其在准静态与动态压缩下的力学行为。
关键技术方法包括：采用选择性激光熔化(SLM)制备片网型gyroid结构增强体，设计参数为重复单元数(3×3×3、4×4×4)与相对密度(10、15、20 vol.%)；通过冷冻铸造将316L不锈钢浆料渗入增强体，经定向凝固、冷冻干燥及1125℃烧结形成互穿结构；利用阿基米德法测试孔隙率与密度；采用X射线衍射(XRD)、SEM及投影X射线显微术(PXM)表征物相、微观形貌与三维结构；通过万能试验机与直接冲击霍普金森杆(DIHB)分别开展准静态(应变率10-3s-1)与动态(应变率约3333 s-1)压缩测试，结合能量吸收效率曲线计算弹性模量、屈服强度、平台应力、致密化应变及能量吸收。
研究结果如下：
3.1 增强体制备质量：SLM制备的gyroid增强体几何精度高，实际相对密度高于设计值，偏差随重复单元数增加而增大，随设计相对密度升高而减小；壁厚范围为92.4–180.3 μm，与相对密度呈正相关，与重复单元数呈负相关。
3.2 物相与成分分析：所有样品均以面心立方(FCC)奥氏体为主相，烧结后冷加工诱导的体心立方(BCC) NiCrFe相完全转变；EDS显示元素分布均匀，界面处无杂质相，仅碳含量因粘结剂热解略高于理论值。
3.3 结构表征：冷冻铸造区域体积收缩率达51.6%，引入增强体后整体收缩降至约44%；SEM与PXM证实gyroid壁与冷冻铸造层状孔形成冶金结合，层间距(11.69±2.08 μm)与单一冷冻铸造支架相当，冰晶生长方向受增强体影响但未破坏整体取向性。
3.4 准静态力学性能：所有样品呈现典型三阶段应力-应变曲线，混合结构复合材料变形均匀无界面脱粘；力学性能随增强体相对密度提升显著增强，4重复单元、20 vol.%相对密度的样品(4HS-20)平台应力达153.7 MPa，能量吸收达48.1 MJ/m3，优于多数已报道的铝基复合泡沫；Gibson-Ashby模型拟合显示结构以弯曲主导变形为主，利于能量吸收。
3.5 动态力学性能：动态加载下样品仍保持塑性变形特征，平台区出现振荡源于非均匀孔分布；混合结构复合材料变形更均匀，无 catastrophic碎裂，SEM未观察到微裂纹；动态条件下屈服强度、平台应力及能量吸收均提升超10%，致密化应变降低，速率敏感性随密度增加而增强。
讨论与结论部分指出，该混合制备策略成功实现了多级孔316L不锈钢互穿复合材料的可控制备，增强体相对密度对力学性能的影响大于重复单元数。在相近孔隙率下，该材料的平台应力与能量吸收优于传统复合泡沫，比强度位于Ashby图金属泡沫域的上限。动态加载下结构稳定性与吸能能力提升，归因于应变率硬化与微惯性效应。研究验证了该材料在轻量化抗冲击领域的应用潜力，未来需进一步量化应变率敏感性的内在机制与几何效应的耦合关系。论文发表于《Journal of Materials Research and Technology》。
