3D打印点阵超材料因其轻质、高强和优异的能量吸收特性而备受关注。然而，传统的体心立方（BCC）和面心立方（FCC）等点阵结构普遍存在节点处应力严重集中的固有缺陷，限制了其力学性能的进一步提升。

受纸莎草茎秆独特的三角棱柱形态启发，香港城市大学吕坚院士团队与北京科技大学毛新平院士团队在一项联合研究中提出了一种普适性的几何驱动仿生设计策略，在保持结构各向同性和轻质特性的同时，成功将应力从节点重新分布至支柱。

以316L不锈钢为模型材料，该策略相较于传统点阵结构，实现了能量吸收提升32%、压缩强度提高63%、比模量增加59%的显著效果。原位压缩实验和有限元模拟表明，该仿生设计通过抑制应变局部化、促进点阵胞元均匀参与变形，从根本上改变了材料的变形模式，从而延迟了早期失效并优化了载荷传递效率。微观结构分析进一步证实了从节点到支柱的显著应变重分布，支持了更均匀的变形过程。

这项研究建立了一种可推广的仿生设计原则，为开发应用于先进结构和可持续工程领域的高性能点阵超材料提供了新路径。

文章题目：

Papyrus-inspired 3D printed stainless steel-based lattice metamaterials with architected stress redistribution for superior mechanical performance

出版信息：Adv. Powder Mater. 5 (2026) 100409.

第一作者：黄禹赫，贺喜，李干

通信作者：黄禹赫，吕坚，毛新平

01

研究背景

航空航天、交通运输和能源等领域对兼具高强度与高效能量吸收的轻质结构材料需求日益迫切。增材制造，特别是激光粉末床熔融（L-PBF）技术的快速发展，为点阵超材料的精密制造带来了革命性变化。BCC和FCC作为最具代表性的点阵结构，因其优异的力学性能、可加工性和各向同性而被广泛研究。然而，它们也面临着节点处的应力集中。这常导致构件过早失效，严重制约了其在实际应用中的性能发挥。现有优化策略，如改变支柱几何形状、调整单胞构型或设计梯度结构，虽有一定改善，但往往以牺牲结构各向同性为代价。因此，如何在不破坏结构对称性的前提下，实现应力分布的协调优化，成为提升点阵超材料综合力学性能的关键科学问题。

02

创新点

1.普适性的仿生设计策略：首次将纸莎草茎秆的三角棱柱形态特征引入点阵结构设计中，将支柱截面从圆形转变为多边形，创造了一种不依赖于特定材料、可适用于BCC和FCC等多种拓扑结构的普适性设计策略。

2.颠覆性的应力重分布机制：通过精巧的几何设计，成功将传统点阵结构中集中于节点的应力有效地重新分布到支柱上，并重新定向应力矢量，使其与加载方向平行，最大化地利用了材料的承载潜力。

3.多尺度的性能验证与机理揭示：结合宏观力学测试、原位压缩数字图像相关（DIC）、有限元模拟（FEM）和微观结构表征（EBSD、TEM），从宏观变形模式到微观位错、孪生行为，系统地揭示了仿生结构通过促进均匀变形、诱发高密度形变孪晶和Lomer-Cottrell锁等机制，实现力学性能协同提升的内在机理。

03

文章概述

本研究通过“自然灵感-结构设计-先进制造-性能验证-机理揭示”的全链条研究范式，系统阐述了仿生点阵超材料的卓越性能及其内在机理。具体研究内容分为以下四个部分：

1.设计灵感与结构制造

研究团队首先从自然界中寻找解决应力集中的“钥匙”。通过对纸莎草茎秆进行显微CT扫描与三维重构（图1a-d），发现其独特的三角棱柱形貌，这成为颠覆传统圆形支柱截面的灵感来源。基于此，团队设计了仿生体心立方（BI-BCC）和仿生面心立方（BI-FCC）结构。利用激光粉末床熔融（L-PBF）技术，成功制备了高精度（打印偏差<63 μm）、高致密度（相对密度>99.96%）的316L不锈钢点阵样品（图1g-h）。这证实了该仿生设计策略与先进增材制造技术的完美兼容性。

图1. 受纸莎草启发的点阵超材料设计策略。(a) 纸莎草植物照片；(b) 纸莎草茎秆显微CT三维重构图像；(c) 茎秆横截面CT图像及局部放大图；(d) 从纸莎草三角棱柱形态到BCC和FCC点阵结构仿生设计的演变示意图；(e) 仿生BCC（BI-BCC）单胞结构示意图；(f) 仿生FCC（BI-FCC）单胞结构示意图；(g) BCC、BI-BCC、FCC及BI-FCC四种点阵超材料的光学照片；(h) 四种点阵超材料的显微CT三维重构图像

2.宏观力学性能的协同提升

准静态压缩测试结果表明，仿生设计显著提升了点阵结构的关键力学指标（图2a-e）：BI-BCC结构：相比于传统BCC结构，能量吸收效率提升32%，弹性模量提升59%，平台应力（压缩强度）提升63%。BI-FCC结构：相比于传统FCC结构，能量吸收效率提升33%，弹性模量提升15%，平台应力提升46%。这一结果表明，仿生设计实现了强度、刚度与能量吸收的协同优化，突破了传统点阵结构的性能瓶颈。

图2. 点阵超材料的力学性能。(a) BCC与BI-BCC (a) 以及FCC与BI-FCC (b) 的典型压缩应力-应变曲线；(c-e) 点阵超材料的比能量吸收 (c)、弹性模量 (d) 和平台应力 (e) 对比；(f)四种点阵超材料的原位压缩图像；(g) 沿加载方向的应变分布DIC结果

3.从“逐层失效”到“均匀变形”的转变

为揭示性能提升的原因，团队开展了原位压缩与有限元模拟研究。变形模式转变（图2f-g）： 原位压缩图像和数字图像相关（DIC）分析显示，传统BCC/FCC结构呈现典型的“逐层失效”模式（应变集中于端部），而仿生BI-BCC/BI-FCC结构则实现了更理想的“均匀变形”模式（应变分布均匀）。应力重分布（图3）： 有限元模拟揭示了根本原因。在传统结构中，应力（Von Mises应力）高度集中在节点处（约100 MPa），支柱承载不足（图3a-b, e-f）。而在仿生结构中，应力被成功从节点转移并重新分布到支柱上，且应力矢量与加载方向平行，使更多材料参与承载，平均应力提升了近40%（图3c-d, g-j）。塑性变形机制（图4）： 在塑性变形阶段，仿生结构的支柱因应力重分布而发生更早的相互接触和屈曲，形成有利的载荷传递路径，进一步分散了节点处的应变集中，从而延迟了材料的局部失效。

图3. 四种点阵超材料的弹性阶段有限元模拟。(a-d) BCC (a)、FCC (b)、BI-BCC (c) 和 BI-FCC (d) 单胞的弹性阶段有限元模拟；(e, f) 沿BCC与BI-BCC (e) 以及FCC与BI-FCC (f) 单胞对角线提取的Von Mises应力-归一化距离曲线；(g-j) BCC (g)、BI-BCC (h)、FCC (i) 和 BI-FCC (j) 多层点阵结构的弹性阶段有限元模拟及Von Mises应力统计图

图4. 四种点阵超材料的塑性阶段有限元模拟。(a, d, g, j) BCC (a)、BI-BCC (d)、FCC (g) 和 BI-FCC (j) 点阵超材料的压缩应力-应变曲线；(b, c, e, f, h, i, k, l) 30%应变下的应力与应变分布云图及沿单胞对角线的归一化距离曲线：BCC与BI-BCC的Von Mises应力分布 (b) 与归一化距离曲线 (c)、等效塑性应变分布 (e) 与归一化距离曲线 (f)；FCC与BI-FCC的Von Mises应力分布(h) 与归一化距离曲线 (i)、等效塑性应变分布 (k) 与归一化距离曲线 (l)

4.微观变形机理的深入揭示

进一步的微观结构表征（EBSD， TEM）揭示了宏观性能提升的物理本质。应变均匀化（图5）： 电子背散射衍射（EBSD）及几何必要位错（GND）分析显示，仿生BI-BCC结构的节点和支柱均承受了相当的应变（图5a-b），而传统BCC结构的应变则高度集中于节点，支柱几乎未参与变形。变形机制差异（图5c-e， 图6）： 透射电子显微镜（TEM）观察发现，在高度应变的传统BCC节点区域，高密度的形变孪晶和层错相互作用，诱发了脆性的α′-马氏体相变（图5c-e），易引发早期裂纹。相比之下，仿生BI-BCC结构的节点区域展现出更温和的变形机制，形成了大量的Lomer-Cottrell锁和纳米孪晶（图5c， 图6d-f），这既能有效阻碍位错运动提供加工硬化，又能避免脆性相的形成，从而实现了更稳定的塑性流变和更优的损伤容限（图6g）。这一系列微观证据，从原子尺度证实了仿生设计通过“均匀化应变”来提升整体力学性能的科学思想。

图5. 变形节点与支柱的微观结构及应变分布。(a) 变形后BCC与BI-BCC节点及支柱区域的EBSD图像；(b) 对应的几何必要位错分布图，插图为相应的高角环形暗场STEM图像；(c) 变形后BCC与BI-BCC节点及支柱区域的TEM图像；(d)对应的选区电子衍射花样；(e) 高分辨TEM图像，显示BCC与BI-BCC节点及支柱区域的变形特征

图6. 变形BCC与BI-BCC点阵超材料节点的微观结构特征。(a) 变形BCC节点的高角环形暗场STEM图像；(b, c) 更高倍率图像，显示BCC节点内的特征变形组织；(d) 变形BI-BCC节点的高角环形暗场STEM图像；(e, f) 更高倍率图像，突出显示BI-BCC节点内的变形特征；(g) 示意图，展示BCC与BI-BCC点阵结构中高等效塑性应变节点区域变形机制的差异

04

总结

“他山之石，可以攻玉。”这项研究的灵感，源自研究人员对自然界平凡植物——纸莎草的细致观察。研究人员从中深刻领悟到，生物界历经亿万年进化所形成的最优结构，往往蕴藏着解决工程难题的“密钥”。在研究初期，研究人员仅希望探索改变支柱截面形状对力学性能的影响。然而，正是纸莎草三角棱柱这一独特几何形态所带来的启发，使他们成功将最初的猜想转化为一套具有普适性的设计原则。这一过程让研究人员深刻体会到，跨学科的交叉融合，尤其是从材料科学、力学与仿生学等多维视角审视问题，能够催生意想不到的创新。研究人员相信，这种受自然启发、以应力调控为核心的设计思想，不仅有望为点阵超材料的性能突破提供新思路，也具备推广至更广泛工程结构设计领域的潜力，助力实现轻质高强与功能集成的新飞跃。

论文引用

Yuhe Huang, Xi He, Gan Li, Ruxia Liu, Wenbin Liu, Lei Zhang, Shuo Wang, Hanyang Yu, Zhifang Shi, Ying Li, Xinggang Li, Shuize Wang,Junheng Gao, Haitao Zhao, Qiang Zhu, Jian Lu, Xinping Mao, Papyrus-inspired 3D printed stainless steel-based lattice metamaterials with architected stress redistribution for superior mechanical performance, Adv. Powder Mater. 5 (2026) 100409. https://doi.org/10.1016/j.apmate.2026.100409

100409-main.pdf

研究团队介绍

毛新平，中国工程院院士，北京科技大学终身教授，博士生导师，北京科技大学碳中和研究院、碳中和学院院长。现任钢铁行业低碳工作推进委员会专家委员会主任，中国金属学会碳中和分会主任委员，工业产品环境适应性全国重点实验室、汽车用钢开发与应用技术国家重点实验室、海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室学术委员会主任。长期从事先进钢铁材料及其低碳制备技术的基础理论研究、工艺技术开发、新材料研制和工程技术集成，主持开展国家自然科学基金委重大项目和国家重点研发计划等多个科技计划项目，主持设计国家重点工程项目。获得国家科技进步二等奖3项、省部级科技进步一等奖9项、国家优秀工程设计银质奖1项，出版专著6部，发表论文330余篇，授权发明专利180余件。获得何梁何利基金科学与技术创新奖、光华工程科技青年奖、魏寿昆冶金青年奖和首届杰出工程师奖，入选首批“万人计划”百千万工程领军人才、全国劳动模范、全国五一劳动奖章和钢铁工业劳动模范。2015年当选中国工程院院士。

吕坚，法国国家技术科学院（NATF）院士、香港工程院院士、香港材料研究会理事长（HKMRS）、香港城市大学机械工程系讲座教授、工学院院长、国家贵金属材料工程研究中心香港分中心主任、先进结构材料中心主任。研究方向涉及先进结构与功能纳米材料的制备和力学性能，结构与功能材料的设计及增材制造，图灵及高熵合金催化剂在电解水制绿氢及燃料电池与污水处理，超高灵敏度表面增强拉曼光谱（SERS）及在心脑血管疾病早期快速诊断，环保，食品安全等领域的应用。西安交通大学、东北大学、北京科技大学、南昌大学名誉教授，西北工业大学、上海交通大学和西南交通大学顾问教授，中科院知名学者团队成员，2011年被法国国家技术科学院（NATF）选为院士，是该院近300位院士中首位华裔院士。2006年与2017年分别获法国总统任命获法国国家荣誉骑士勋章及法国国家荣誉军团骑士勋章，2018年获中国工程院光华工程科技奖。2025年获选美国国家发明家科学院（NAI）院士。已取得89项欧、美（53项）、中发明专利授权，在本领域顶尖杂志Nature（封面文章），Science，Nature Materials，Nature Chemistry，Nature Water，Science Advances，Nature Communication，PNAS，Materials Today，Advanced Materials, JACS, Angew. Chem. JMPS, Acta Materialia 等专业期刊上发表论文650余篇，引用57000余次，H因子107。

黄禹赫，北京科技大学碳中和研究院讲师，入选中国科协青年人才托举工程，先后在西北工业大学与英国谢菲尔德大学获得学士与博士学位。主要研究方向包括高性能金属材料（如钢、高熵合金、钛合金、铝合金）的设计制备、加工以及力学性能调控、晶界工程与相变等。在合金强韧化设计与多维表征方法等方面取得了系列创新性的研究成果，已经在Nature, Science Advances, Materials Today, Acta Materialia, Scripta Materialia, Additive Manufacturing等期刊发表论文90余篇，他引逾2000次。

贺喜，南方科技大学硕士研究生，本科毕业于湘潭大学。曾获“湖南省普通高等学校2023届优秀毕业生”等荣誉称号，主持南方科技大学攀登计划项目。在朱强教授和李干博士的指导下，主要从事激光增材制造铝基仿生点阵超材料的材料结构功能一体化研究。至今在Science Advances, Materials Today, Advanced Functional Materials等期刊发表论文12篇，已授权发明专利8项。

李干，香港城市大学博士后，香港材料研究学会终身会员。分别在华中科技大学、哈尔滨工业大学获得学士与硕士学位，于 2024 年获香港城市大学博士学位。主要研究方向聚焦于金属增材制造领域的先进材料开发（铝合金、铜合金、钢等）、结构设计（超材料设计与结构优化）及工业应用。曾获中国国际发明创新展览会金奖与国际前沿材料大会 ” 前沿材料研究生奖 ” 。近年来已申请 / 授权中 / 美专利 17 项，在 Science Advances ， Nature Communications, Materials Today, Acta Materialia, Additive Manufacturing 等期刊发表论文 60 余篇， H 因子 26 。

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投稿丨daisylinzhu 微信

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