激光激发的4D打印：磁致伸缩Fe-Co-V

可按需变形的金属零件

想象一下飞机机翼、海上天线或保护罩在被光束照射时能够自行缓慢弯曲成新形状——没有铰链、没有马达、没有电线。本研究展示了如何通过将先进的3D打印工艺与一种特殊磁性材料和定向激光相结合来制造这种“有生命”的金属零件，为更智能的航空和海洋设备打开了道路。

从静态金属到会变形的构件

传统金属零件在铸造或加工成型后形状基本固定。这里的研究人员使用磁致伸缩Fe–Co–V合金，这种金属在磁场作用下会微小拉伸或收缩，同时应力也会引起磁性变化。利用激光选区熔化——一种常见的金属3D打印方法，他们首先制造出平板或轻微弯曲的“起始”二维构件。这些构件具有高强度、耐热性和磁响应性，但尚不能产生大幅、明显的运动。团队的关键想法是将这些打印件视为可编程的空白件，后来可以对其重新塑形。

用激光“写入”新形状

打印完成后，同类型的激光以完全不同的方式使用——不是逐层构建零件，而是在选定的表面区域上扫描。该扫描加热出狭窄的轨迹，使金属厚度方向产生陡峭的温度和应力梯度。随着热区不均匀冷却，内部应力被永久重排，构件在激光经过的区域发生弯曲或扭转。通过改变激光移动速度、功率、扫描区域和重扫次数，团队能够从相同的原始设计中调控出不同的最终形状和刚度。他们展示了简单折叠、沿齿轮状图案的梯度弯曲，以及模仿蝙蝠翼、闭合花朵和人手手势等更复杂的形态。

将形变与磁性行为连接起来

这种重塑步骤不仅仅使金属弯曲。在微观尺度上，加热与冷却会轻微重排合金的晶格结构和其中的小磁区。测试表明，激光刺激后的部件表面更光滑、缺陷更少、元素分布更有序，相较于原始打印件更为优越。因此，当施加磁场时，重塑样品表现出更大的磁致伸缩应变——也就是说它们的长度变化更强且更可预测——同时保持了高温下的磁性稳定性。材料保持了强磁化和矫顽力，但对磁场的响应变得更高效，这对传感器、执行器和能量收集器至关重要。

为电子设备抵御无形干扰

现代飞机、车辆和电子设备必须免受可能干扰敏感电路的电磁波影响。作者将其可变形样品作为屏蔽面板，在用于雷达和通信的宽频段高频率范围内进行了测试。无论激光处理前后，这些面板都能阻挡并吸收大量入射波，总体屏蔽效能通常在几十分贝以上。然而，经过激光刺激后，表面粗糙度、氧化层和内部结构的细微变化使得屏蔽行为更具可调性。在某些频段重塑件吸收更有效，而在其他频段则更多反射，这表明通过调整后处理方式，单一打印件可以为不同的电磁环境重新配置。

这对未来机器意味着什么

通过将3D打印、定向激光加热和磁性活性金属结合起来，这项工作将普通外观的金属板变成了可以在制造后编程其形状和性能的组件。相同的Fe–Co–V构件可以一次打印，随后通过沿特定路径照射激光来弯曲、加固或在磁性上优化。这克服了磁致伸缩材料通常只能产生微小运动的局限，并在微观磁性变化与大尺度、实用的变形之间架起了桥梁。对外行人而言，核心信息是我们开始学会用光“写入”固体金属的功能——创造能够在服役中自我适应的未来飞机表皮、天线、传感器和能量收集器，而不是被锁定为单一、不变的形态。

引用: Li, G., Yang, Z., Zheng, A. et al. Laser-stimulated 4D printing of magnetostrictive Fe-Co-V. Nat Commun 17, 2592 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69378-0

关键词: 4D打印, 磁致伸缩合金, 激光选区熔化（LPBF）, 智能材料, 电磁屏蔽