前沿速递 | Adv. Eng. Mater.：基于LPBF与压力渗透的FeSi2.9-Bakelite多功能复合材料设计与性能调控
前言
最近，巴西圣卡洛斯联邦大学的一支跨学科研究团队，在国际期刊《Advanced Engineering Materials》上发表了一项引人注目的研究。他们成功开发出一种两步制造法，将金属3D打印与聚合物渗透技术巧妙结合，创造出一种力学与磁学性能俱佳的螺旋晶格复合材料。
这项研究不仅为材料设计提供了全新思路，更可能为航空航天、高效电机、电磁兼容设备等领域带来新一代的“结构‑功能一体化”解决方案。
核心内容
该研究提出并验证了一种创新的“两步法”制造策略，成功制备出兼具优异力学性能与软磁特性的金属－聚合物复合晶格材料：
1.第一步：金属骨架的精密构建
采用激光粉末床熔融技术，以FeSi2.9电工钢为原料，打印出不同晶胞尺寸（1mm与2mm）和致密度（70%与80%）的螺旋晶格结构。优化后的打印参数使材料相对密度超过99%，形成了具备连续贯通孔隙的轻质金属骨架。
2.第二步：聚合物的完全渗透
通过压力渗透工艺，将热固性酚醛树脂注入金属骨架的所有孔隙中，并在200°C下固化，形成金属与聚合物相互贯穿的三维复合结构。
3.性能表现
力学方面：聚合物渗透后的晶格结构压缩屈服强度达273.7MPa，高于同成分致密材料，且在60%应变下仍未发生断裂。
磁学方面：渗透过程未显著改变FeSi2.9固有的软磁性能，饱和磁化强度保持在较高水平，材料表现出与打印织构相关的磁各向异性。
研究意义
1.开辟了材料设计新路径
该方法将宏观结构设计与微观材料复合分离，使科研人员能够像“搭积木”一样，独立优化金属骨架的几何形状和聚合物填充物的性能，为实现更复杂的功能集成打开了大门。
2.解决了轻量化与高性能的矛盾
在航空航天、新能源汽车等领域，减重与提升性能往往是“鱼与熊掌”。该研究提供了一种新思路：通过精巧的微观结构设计，而非单纯寻找新物质，来实现性能突破。
3.为下一代电磁器件奠定基础
兼具良好力学性能和软磁特性的材料，是开发更紧凑、更高效电机和变压器的关键。这种复合材料有望用于制造集成散热、减振和电磁屏蔽功能的轻量化结构件，推动器件向小型化、智能化发展。
4.制造工艺具备实用潜力
所采用的3D打印和压力渗透技术均相对成熟、可控，从实验室走向产业化的路径较为清晰，具备较强的工程转化前景。
图1.a)具有高斯曲率特征的螺旋结构三维示意图；b)单元尺寸为2 mm、致密度为80%的螺旋晶格CAD模型
图2.气雾化FeSi2.9粉末表征
图3.LPBF成形FeSi2.9样品的微观结构与工艺分析
图4.通过LPBF制备的螺旋晶格结构外表面SEM图像
图5.经酚醛树脂渗透的晶格结构样品外表面SEM图像（BSE模式）
图6.通过LPBF制备并经酚醛树脂压力渗透的FeSi2.9螺旋晶格结构的微计算机断层扫描图像
图7.FeSi2.9金属与酚醛树脂聚合物之间的界面
图8.打印态FeSi2.9螺旋晶格结构（未渗透，虚线）与酚醛树脂渗透后（已渗透，实线）的H×M磁滞曲线。最后一行为致密样品的磁滞回线，以供对比
图9.FeSi2.9打印晶格结构与致密样品的准静态单轴压缩真实应力-真实应变曲线
图10.通过LPBF打印的晶格结构FeSi2.9合金的微观结构
图11.FeSi2.9合金致密样品、开孔晶格结构及酚醛树脂填充晶格结构的比屈服强度与比强度
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