澳大利亚工程师开发出一种高强度轻质钛材料，即使在严重受损后仍能保持漂浮，为海洋基础设施提供了潜在的新选择。

浮标、浮式传感器和其他海洋结构依靠密封空间阻隔海水以维持漂浮。严重裂缝会使海水灌入这些空间，导致整个结构沉入水下。因此，工程师需要能够承受恶劣海洋条件、同时不牺牲强度、低重量或浮力的材料。不锈钢和高密度塑料广泛用于此类设备，但两者都无法解决受损结构保持漂浮的问题。

金属晶格结构似乎很适合应对这一挑战，因为其复杂框架可以极轻，同时保持相当高的强度。然而，其开放式架构在水中造成一个根本性问题。液体可以在相互连通的空间中自由流动，消除了其低整体密度似乎本应带来的浮力优势。

皇家墨尔本理工大学增材制造中心首席研究员Jordan Noronha博士表示：“金属晶格可以极轻——密度不到水的十分之一——但其开放且相互连通的空间允许水进入，导致其下沉。”

“这使得这些高强度轻质结构不适合用于海洋基础设施——直到现在。”

泡沫填充支柱保持浮力

皇家墨尔本理工大学领导的研究团队通过3D打印由中空、相互连通支柱构成的钛晶格，并向支柱内填充聚氨酯泡沫，解决了这一缺陷。支柱周围的空间保持开放，因此水可以穿过晶格本身，而非被密封外壳阻挡。

Noronha表示：“仅在中空钛支柱内填充聚氨酯泡沫，我们创建了一种允许水穿过、同时即使在严重开裂和损坏后仍保持浮力的结构。”

样品在淡水中保持漂浮超过两个月，为其浮力提供了持续证据。据研究人员称，该工作是首次报道的漂浮金属杂化晶格超材料演示。

预测浮力的新规则

预测此类开放结构是否能漂浮，需要团队重新思考其密度的计算方式。传统计算方法将晶格内所有开放空间计入密度，尽管这些空间会被水填充，对维持结构漂浮没有任何贡献。

研究人员转而提出一种称为“骨架密度”的度量，仅计算结构中排斥水的部分。在其设计中，这些部分是钛壁及其内部密封的泡沫填充通道。

Noronha表示：“这为工程师提供了一条简单的设计规则：如果骨架密度低于周围液体密度，结构就会漂浮——即使水从其所有外部开口流过。”

强度与浮力在受损后依然保持

该钛晶格承受的载荷也远高于已用于海洋应用的材料。当研究人员在相同整体密度下比较材料时，其结构强度比不锈钢或高密度聚乙烯高70%。

在短期测试中，暴露于海水造成的性能退化相对较小。在墨尔本菲利普港湾采集的天然海水中浸泡两周后，晶格仅损失0.15%的质量，强度下降不到1%。

裂缝和结构失效也没有立即破坏浮力。混合晶格在经历包括开裂、关键连接点失效以及整个晶格层断裂在内的严重损坏后仍继续漂浮。仅在严重压碎和压实后才下沉。

Noronha表示：“泡沫中微小的密封气室截留气体，防止水灌入中空支柱。”

“通过这种方式，泡沫充当分布式屏障，帮助结构在受损后保持漂浮——不同于传统中空海洋结构，后者在开裂后会迅速灌满水。”

团队构建了一个3D打印海洋浮标，以演示开放式结构与分布式浮力的组合如何在实践中发挥作用。在湍流海水槽中，浮标在旋转至多45度时仍保持稳定，且没有密封外壳、保护涂层或额外浮力系统。

后续将开展更长周期的海洋测试

项目负责人杰出教授Ma Qian表示，研究人员现在计划扩大演示组件规模，并考察该材料在真实海洋和深海条件下更长周期的性能。

其内部结构也可以调整，用于浮力之外的用途。Ma Qian表示：“通过改变钛框架内的材料，我们可以为能量吸收、热管理、振动控制和其他应用定制类似结构。”

参考文献：Jordan Noronha, Joey Tallon, Raad Omar, Jason Dash, Andrey Molotnikov, Martin Leary, Milan Brandt and Ma Qian, Breaking the Surface: Buoyant Metal–Polymer Open–Cell Hybrid Lattice Metamaterials, Advanced Materials, 28 August 2026. DOI: 10.1002/adma.74641