2026年9月4日，来自皇家墨尔本理工大学（RMIT）的研究人员创造了第一个可以漂浮在水中的金属-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。
这项研究以题为“Breaking the Surface: BuoyantMetal–Polymer Open–Cell Hybrid Lattice Metamaterials/突破水面：浮力金属-聚合物开孔混合晶格超材料”的论文发表在《先进材料》上。论文由 JordanNoronha、Joey Tallon、Raad Omar、Jason Dash、Andrey Molotnikov、Martin Leary、Milan Brandt 和 Ma Qian 共同完成。
本研究提出了一种混合结构，将3D打印的钛晶格与注塑聚氨酯泡沫相结合，实现了低于1.0g/cm³的骨架密度。这项突破意义重大，因为它将浮力与外部开孔渗透性的损失解耦。进行于皇家墨尔本理工大学增材制造中心(RCAM) 与巴黎国立工艺学院(CNAM)的合作者共同开展了这项研究，核心在于重新定义浸没在液体中的多孔结构的密度计算方法。传统的晶格结构密度计算包含了所有空隙空间，包括内部通道和与周围环境相连的开放孔隙。一旦结构浸入水中，上述计算便不再适用，因为水很容易渗入那些开放的孔隙，增加质量并使晶格下沉，无论基材多么轻。此处使用的钛合金 Ti-6Al-4V 的固有密度为 4.43g/cm³，大约是水的 4.4 倍。
为了解决这个问题，研发团队开发了一种他们称之为“骨架密度”的指标，指标排除了外部可及的孔隙率，只考虑了支柱壁及其内容物的密封质量和体积。他们将可膨胀聚氨酯泡沫注入激光打印钛合金晶格的空心内部通道中，密封了这些内部通道，同时保持外部晶格结构完全开放。泡沫在支柱内部以1:9到1:12的比例膨胀，形成密度仅为0.077到0.112g/cm³的闭孔聚氨酯填充物。
△钛晶格立方体的横截面图，展示了填充聚氨酯泡沫以增加浮力前后的形貌。图片由RMIT大学的Sara Tan提供。
浮选试验证实了密度阈值
实验结果与预期相符。实验测得的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（内通道直径为2.5至4.0毫米）中，密度范围为0.80至1.27g/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，未观察到明显的漏气或进水现象。而密度高于该阈值的晶格结构则下沉，与模型预测完全一致。
△金属-聚合物杂化策略与新型金属-聚合物混合策略
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-PU 混合材料的屈服强度为 10.3 MPa，约为高密度聚乙烯的密度标度强度的 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，样本的质量仅损失了 0.15%，屈服强度和抗压强度下降不到 1%。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，并在每个失效阶段测试浮力。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。
随着致密化过程的开始，浮力消失。此时，体积压缩使晶格结构物理性地压实，最终骨架密度超过水的密度。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，研究团队制作了一个高100毫米、宽85毫米的浮标原型，并在湍流海水中进行了测试。结果表明，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。骨架密度框架本身可能与特定的钛-聚氨酯组合同样重要。因为它仅取决于材料的固有密度和通道几何形状，所以原则上适用于其他合金、聚合物和液体材料，为设计以前被认为会下沉的结构以产生浮力提供了一条通用的设计规则。
△项目团队成员包括：RMIT大学增材制造中心副教授Andrey Molotnikov、杰出教授马谦、杰出教授Milan Brandt、Jordan Noronha博士和Martin Leary教授。图片由RMIT大学Sara Tan提供。
利用空心支柱格栅实现浮力
这项工作的核心——空心支柱晶格结构并非源于浮力概念。RMIT 的同一实验室在 Ti-6Al-4V 合金中引入了空心支柱晶格，将两种互补的晶格拓扑结构结合成单一的多拓扑结构设计。晶格结构的强度比密度相近的铸造镁合金WE54高50%，并且优化目标是实现载荷分布而非防止浮选。本研究通过将第二种晶格拓扑结构融入整体结构中，重新分配节点处的载荷，从而解决了长期存在的应力集中问题。有趣的是，这种空心支柱结构在每个支柱内部也留下了一个空腔。在这项新的浮力研究中，这些空腔通道成为了聚氨酯泡沫的注入通道，使研究人员能够在保持晶格外部开孔结构的同时，密封内部空间。换句话说，结构设计为浮力解决方案创造了物理前提条件，尽管它并非为此而设计。
来源：南极熊
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