惰性阳极无碳铝电出恭艺因不奢华炭素阳极，莫得温室气体排放，且吨铝产生氧气800Kg以上，大幅裁减奇迹强度，是鼓舞铝电解行业变革的颠覆性、策略性负碳手艺。然则，惰性阳极材料因需恒久领受高温（~800℃）、富氧、冰晶石熔盐腐蚀、大电流承载（500~1000 mA/cm2）的惨酷入伍环境，传统单一材料难以自豪高导电与耐蚀性能协同的工况需求。
基于此，中南大学周科朝惰性阳极团队选拔多材料粉末挤出打印，想象了一种锯齿状“三维互锁界面”结构的金属陶瓷/金属梯度惰性阳极，该专有的微界面结构有用辅助了芯部高导金属与外层耐蚀层的界面消除强度，扼制了界面热失配引起的开裂等问题，使构件抗弯强度辅助125%，为高导耐蚀的梯度惰性阳极一体化制造提供了新路子。
著作题目：
Multimaterial 3D printing of high-strength metal-cermet inert anodes for aluminum electrolysis via interface-structure design
出书信息：
Adv. Powder Mater. 5 (2026) 100415.
第一作家：欧阳德才
通讯作家：熊慧文、康潇
01 著作摘抄
金属陶瓷-金属多材料体系的增材制造为制造兼具优异高温强度、耐腐蚀性和韧性的构件提供了一条出路广袤的路子，这些性能对极点环境应用至关要紧。然则，烧结过程中因热减轻各异激发的界面开裂严重壅塞了而后劲的发展。
为管制NiFe2O4基金属陶瓷与CuNi合金之间因热延伸系数不匹配而产生的界面应力这一要津问题，本斟酌中征战了一种层状打印策略，该策略在材料挤出增材制造过程中整合了金属相分散想象与打印取向法例。此法子有用缓解了烧结热应力，从而大致制造无劣势、功能梯度的构件。
系统斟酌标明，具有平整界面的样品，其界面开裂随金属层厚度的增多而加重。比较之下，构建曲面界面可促进机械互锁，从而权贵增强界面消除强度。值得防护的是，垂直打印的样品沿纵截面酿成了特征性的锯齿状界面微不雅结构，其尺寸可通过治愈打印层高进行精确调控。该微不雅结构特征对应力缓解起着要津作用。因此，优化后的多材料构件展现出非常的抗弯强度，较单一金属陶瓷材料样品权贵提高了125%。
本斟酌通过界面结构想象与微结构调控，为缓解多材料体系中的烧结失配应力提供了新观念，鼓舞了适用于极点环境的高性能多材料的发展。
02 斟酌配景
为唐突铝工业等高温电化学过程对节能环保的紧迫需求，征战能在极点腐蚀环境中恒久踏实运行的高性能惰性阳极至关要紧。将高导电金属与高耐蚀陶瓷相消除的陶瓷-金属多材料体系，为终了兼具优异导电性、抗热震性及抗熔盐侵蚀的电极提供了极具出路的管制决策。然则，此类多材料在共烧结过程中，会因组元间权贵的热延伸系数不匹配而在界面产生广博热应力，进而激发微裂纹、分层以至全体开裂，严重制约其结构齐备性与使用寿命。因此，奈何从材料想象与制造策略层面主动合营并摒除界面失配应力，成为鼓舞其应用的中枢挑战。
大量增材制造手艺，相等是基于高能束（如激光、电子束）的笔直成型法子，在制备陶瓷-金属多材料体系时濒临固有瓶颈：局部溶化过程会因两组元间广博的热物感性能各异（如熔点、热延伸系数、激光领受率）而在界面诱发烧裂纹、脆性相及难以法例的残余应力，且存在要素抵制风险。相较之下，材料挤出成型行为一种基于喂料挤出的盘曲增材制造道路，为这一攻击提供了专有且可行的管制决策。该手艺通过低温共挤出陶瓷与金属喂料，十足幸免了高能束工艺中的溶化与干系热问题，同期和会了粉末冶金在材料取舍上的机动性以及增材制造在复杂几何净成形方面的上风。然则，MEX手艺制备的多材料生坯在后续共烧结阶段，仍会因组元减轻行动不匹配而产生权贵的“烧结失配应力”，并最终导致界面劣势。因此，发展大致从微结构想象层面（如构建三维互锁界面）来改善、摒除此应力的新式MEX策略，是鼓舞高性能金属陶瓷-金属构件走向实质应用的要津改变冲突口。
03 改变点
1. 空间-取向协同打印策略：初次建议并实行了金属相空间分散想象与打印取向主动调控相消除的层状多材料结构的制备法子。该策略通过“曲面想象+垂直打印”的集成工艺，终赫然界面几何态状（如三维互锁、锯齿状微结构）的精确法例与制造，从制备法子上重塑了烧结前的多材料构件，为应力合营奠定了结构基础。
2. 固液相取舍性活化烧结：改变性地将烧结温度精确调控于金属组元的固液相共存区，哄骗产生的适量液相行为“粘合剂”与“应力缓冲剂”。此法子在促进界面冶金消除、填充孔隙的同期，高效缓解了因减轻失配产生的内应力，大幅辅助了多材料共烧结的成效率与界面消除强度。
3. 基于能量判据的失效模式调控机制：针对金属陶瓷-金属层状多材料结构，初次确立了一个定性的能量分析模子。该模子通过系统比较界面总失遵守（Gc，含界面消除能、裂纹扩展耗能）与金属层塑性变形能（Wplastic），建议了Gc与Wplastic的相对大小决定失效模式的普适判据。斟酌发扬，所想象的三维互锁界面通过大幅辅助 Gc，使系统自豪Gc > Wplastic的条款，从而主动将失效旅途从粗劣量的界面脆性剥离，转向高能量的金属韧性屈服。这一机理合默契释了多材料层状结构抗弯强度辅助125%的内在原因，为多材料界面想象提供了新准则。
04 著作概括
1.多材料的制备与结构想象
图1d展示了NiFe2O4基金属陶瓷和CuNi合金多材料构件的制备全历程。该历程肇端于金属陶瓷与金属喂料的差异制备：将NiFe2O4或CuNi粉末与聚甲醛（POM）基粘结剂在执合机中均匀羼杂，经造粒得到具有合适流变性能的挤出喂料。随后，选拔双喷嘴材料挤出系统进行多材料共打印，通过预设的打印旅途与层厚法例，终了多材料的精确堆叠与界面态状的主动构建。打印所得生坯循序经过催化脱脂、热脱脂，最终在可控歧视中进行共烧结，赢得全细密、界面消除安祥的金属陶瓷-金属多材料构件。图1e清亮展示了本斟酌所选拔的层状结构想象及对应的打印策略。通过对打印坯体纵截面的宏不雅态状分析，进一步印证了材料挤出打印手艺用于多材料共成形工艺的可行性与结构可控性。
图1. 多材料制备工艺及结构想象。(a) 多材料挤出打印机。(b) 层状多材料结构流露图。(c) 多层复合材料结构的优点。(d) 多材料构件增材制造制备工艺历程图。(e) 打印结构想象流露图。
图2. (a， b) Cermet 25 与 CuNi 喂料的宏不雅态状。(a1， b1) 喂料的断裂名义态状，(a2， b2) 差异为对应框中区域的高倍放大图像。(c， d) 对应挤出丝的名义态状及 (c1， d1) 其断裂名义态状。(e， f) Cermet 25 与 CuNi 喂料在 170–190℃ 下的表不雅粘度随剪切速度变化关系（lnη 对 lnγ）。(g) 两种喂料在固定剪切速度 (15 s-1) 下粘度随温度的变化。(h) 笔据 (g) 中数据筹办得到的流动活化能 (E) 与粘度温度明锐性系数 (αstv)。(i， j) Cermet 25 与 CuNi 喂料的同步热分析 (STA) 所得 TG 与 DTG 弧线。
3.坯体的态状及微结构酿成机制斟酌
图3中系统展示了选拔不同策略打印的多材料生坯的界面宏不雅/微不雅态状及专有的界面结构酿成机制。如图3ab所示，kaiyun体育app下载官网分层结构与不同界面花样样品的宏不雅不雅察均未出现翘曲或层间分离，尺寸偏差法例在±0.1 mm以内，阐明了打印过程的踏实性。微不雅分析揭示，CuNi层因更低的粘度（180℃下1733.1 Pa·s）而产生系统性过度挤出，致使其层厚不绝大于Cermet 25层（190℃下3473.3 Pa·s）。在厚层样品中（LS-300）不雅察到的波纹状界面源于大体积挤出导致的相邻丝材和会，此结构可增多界面斗殴面积，利于应力开释。关于复杂旅途的正弦界面样品，微不雅上出现的双边特出则与打印过程中时常的喷嘴切换及材料在XY平面的非受限流动权衡。图3e中要点发扬了垂直打印策略过头所酿成的锯齿状微结构的机理与影响因素。垂直打印终赫然两种材料在同层内的同步千里积。其中枢改变在于，哄骗两种喂料行为剪切稀化非牛顿流体在挤出后发生的径向延伸，使相邻挤出的材料流在固化前横向斗殴并相互挤压，从而“从下到上”地酿成了进步层厚的三维锯齿状机械互锁结构。该锯齿结构的尺寸（如长度与线宽同步变化，厚度与层高呈正干系）受打印参数精确调控。斟酌标明，更小的层高能产生更密集的锯齿结构，通过增强界面的机械互锁效应，可更有用地扼制裂纹扩展，使烧结后样品的抗弯强度权贵辅助（举例，0.15 mm层高样品比0.2 mm层高样品强度高11.9%）。
图3. (a) 层状结构与 (b) 不同界面花样样品的SEM图像。(c)不雅察平面的流露图。(d) 凸界面酿成机制流露图。(e) 垂直打印样品态状。(f) 挤出打印过程流露图: (f1) 表面材料挤出景象; (f2) 实质过度挤出景象; (f3) 锯齿状界面酿成机制流露图。(g) 同步挤出酿成的锯齿结构。
4.单材料烧结行动及多材料烧结样品
图4系统斟酌了单材料的烧结行动、减轻特点，及多材料共烧结界面的宏不雅劣势演化。如图4(a-c)所示，单材料烧结标明Cermet 25在通盘温度下均通过固态烧结终了高细密度(>92%)与致密时局保持；而CuNi在1180℃时因过量液相酿成导致样品变形、产生闭孔，细密度降至~80%。瞬时热延伸系数（CTE）弧线（图4d）披露，两者均在约900℃后运行权贵减轻，且Cermet 25减轻速度更高。对具有不同金属层厚度的层状结构（LS系列）的共烧结斟酌标明（图4e-g），界面开裂明锐性随金属层厚度增多而加重，举例LS-015（0.15mm）在通盘温度下均无宏不雅劣势，而LS-100和LS-300则出现分层。比较之下，具有曲面界面（IM系列）和选拔垂直打印策略的样品在1165℃烧结后均呈现光滑轮廓，有用扼制了分层（图4h，i），评释了该温度与界面想象对制造复杂多材料构件的可靠性（图4j）。
图4. (a) CuNi（左）与 Cermet 25（右）样品的宏不雅相片；(a1-c1) 与 (a2-c2) 差异为 Cermet 25 和 CuNi 的高倍背散射电子图像。(d) 两种材料在加热过程中的瞬时热延伸系数弧线；(d1) 样品在三个烧结温度下达到的相对密度。具有不同层厚（LS-015， LS-100， LS-300）的样品在 (e) 1150℃， (f) 1165℃ 和 (g) 1180℃ 烧结后的名义及纵截面宏不雅相片。(h) 具有不同界面态状的样品在 1165℃ 烧结后的名义视图；(i) 垂直打印样品在 1165℃ 烧结后的宏不雅相片。(j1) 使用 CuNi 喂料打印的带有“CSU”图案的多材料组件；(j2) 多材料惰性阳极的宏不雅视图。
5.共烧结过程中多材料界面的微不雅结构演变
图5 潜入揭示了多材料界面在不同烧结温度下的微不雅结构演化与强化机理。在1150℃（固相烧结）下，通盘层状样品界面均不雅察到裂纹，且裂纹尺寸与金属层厚度正干系（图5a）。当温度升至CuNi合金的固液共存区（1165℃）及近液相区（1180℃）时，界面裂纹肃清，并酿成了权贵的界面过渡层（图5b，c）。过渡层内金属相相聚酿成聚合收集，其厚度随温度升高而增多。该过渡层通过微机械互锁效应有用缓解了热应力。斟酌效率标明1165℃为最优烧结温度，此时CuNi中酿成约35 vol%的液相，其刚度大幅裁减，不错流动以开释Cermet 25减轻产生的应力，同期固态骨架保管了构件时局。此外，斟酌对比了不同界面态状（图5d-i），发现增大界面斗殴面积（如曲面想象）可促进过渡层酿成、增强消除强度，并将平面界面聚合的应力振荡为多轴应力景象，从而扼制裂纹萌发与扩展。关于垂直打印样品，其专有的锯齿状互锁微不雅结构在烧结后得以保持（图5f-i），无裂纹或层间劣势，权贵辅助了多材料构件的成形质料与界面消除。
图5. 不同温度下烧结、具有不同层厚度的样品纵截面的微不雅结构演化：(a) 1150℃: (a1–a2) LS-015， (a3–a4) LS-100， (a5–a6) LS-300；(b) 1165℃: (b1–b2) LS-015， (b3–b4) LS-100， (b5–b6) LS-300；(c) 1180℃: (c1–c2) LS-015， (c3–c4) LS-100， (c5–c6) LS-300。通过水平与垂直打印策略制备的烧结样品微不雅结构：(d–d3) IM-100-B， (e–e3) IM-300-B， (f–f3) V-100-B， (g–g3) V-300-B；(h–h1) V-100的纵截面， (i–i1) V-300的纵截面；(j， k) 不同打印取向所对应的不雅察平面流露图。
6.层状多材料样品力学性能及增强机理
图6系统地表征了多材料样品的力学性能、断裂行动及强化机理。斟酌标明，通过层状架构想象，样品周折强度均突出200 MPa，优于已报说念的NiFe2O4基金属陶瓷体系。其中，具有0.15 mm金属层的LS-015样品强度高达367.5 MPa，较单一Cermet 25（163.1 MPa）辅助了约125%。性能与金属层厚度密切干系：周折强度随层厚增多而下落（图6b-d）。较薄的金属层有助于裁减烧结热失配应力，并在单元体积内引入更多界面，从而改善载荷分散。同期，垂直打印酿成的锯齿状微结构互锁界面进一步辅助了性能，该结构通过机械互锁和裂纹偏转有用增强了界面韧性。复合材料的增韧源自金属相的内在塑性与界面的外皮强韧化。奏凯界面中裂纹易沿界面扩展，导致脆性剥离；而曲面及垂直打印构建的互锁界面迫使裂纹沿周折旅途扩展（周折因子k>1），权贵增多了裂纹扩展所需能量。为此，确立了定性能量分析模子，通过比较总失遵守量Gc（含界面消除能、裂纹扩展能等）与金属塑性变形能Wplastic来息争解释上述行动。在奏凯界面中，Gc Wplastic。此时，外力将先激发金属层塑性变形，从而钝化裂纹、耗散能量，促使失效模式由“粗劣界面脆性剥离”调节为“高能金属韧性屈服”，这是终了超高周折强度的根柢机制。
图6. (a) NiFe2O4基金属陶瓷的周折性能与文件中报说念数据的比较。(b) Cermet 25、CuNi合金及多材料样品LS-015的对比；(c) 金属层厚度为1 mm的样品；(d) 金属层厚度为3 mm的样品。周折测试后选择样品的断裂态状：(e) IM-100-A， (f) V-100-A， (g) IM-300-A， (h) V-300-B。(i) 层状样品周折失效机理流露图。(j) 垂直打印曲面样品周折失效机理流露图（周折因子k（k≥1）是一个无量纲因子，用于量化裂纹沿周折或互锁界面扩展相干于奏凯界面所增多的难度）。
05 追想
本斟酌揭示了通过“界面微结构想象”调控金属陶瓷-金属多材料构件共烧结的根柢旨趣。通过“曲面想象+垂直打印”，在制造阶段即主动构建具有互锁效应的锯齿状界面，并哄骗固液相烧结机制，玄妙管制了传统统烧结中因热延伸系数失配而产生广博内应力、导致界面开裂的中枢攻击。
这项使命终赫然一个要紧的范式调节：从依赖材料要素治愈的“被迫唐突”转向通过多材料界面花样与打印工艺协同想象的“主动调控”，从根源上扼制了应力与劣势。本斟酌发展的“结构引诱应力合营”策略，不仅为铝电解惰性阳极等极点环境构件的高质料制造提供了可靠决策，也为更平淡的陶瓷-金属、陶瓷-陶瓷多材料增材制造提供了改变的想象念念路。
论文援用
Decai Ouyang， Puyun Fan， Wangjia Zhang， Mengxiong Chen， Keyi Zhang， Huiwen Xiong， Xiao Kang， Lei Zhang， Kechao Zhou， Yun Liu， Borui Liu， Multimaterial 3D printing of high-strength metal-cermet inert anodes for aluminum electrolysis via interface-structure design， Adv. Powder Mater.5 (2026) 100415. https://doi.org/10.1016/j.apmate.2025.100415
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