“不完美”的完美：Nature报道3D打印抗损伤结构化“超晶体”

来源： X一MOL资讯


在常规固体材料中，如果用晶格结构来代替固体，就可能得到具有常规固体无法企及的性质（例如负泊松比）且更加轻质的新型超材料——结构化材料（architected materials）。结构化材料包括周期性排列的节点（nodes）和支柱（struts），通常由具有相同取向的相同结构单元构成，这非常类似单晶中的“晶胞”。这就导致当结构化材料负载超过屈服点时出现局部高应力带，造成材料机械强度的灾难性崩溃。这种“后屈服崩溃”现象类似于金属单晶中与位错滑移相关的应力快速下降。而在多晶材料中，原子平面的排列是随机的，所以当剪切力导致一个晶体产生的裂纹与另一个晶体相遇时，由于原子的排列方式不同，裂纹传播会减速或停止。这种多晶材料的特性可以作为设计抗损伤结构化材料的参考。

最近，英国伦敦帝国理工学院（Imperial College London）的Minh-Son Pham等研究者使用晶体材料中发现的硬化机制，通过模拟晶体材料的微观结构（例如晶界、析出和相），通过3D打印制备出坚固耐用且耐损伤的结构化材料。此类晶体介观结构设计中所具有的自由度，也为研究金属合金中复杂冶金学现象（如滑移）提供了替代方法。他们还表明，使用多晶材料制造晶格可得到多级结构化材料，包含在介观尺度结构化晶格内的原子晶格以及在类多晶介观结构内的多晶微结构。而且，这种材料的性质可以通过微观、介观和宏观尺度晶格的多种组合而轻松调控。

图1. 3D打印结构化超材料的模型。图片来源：Imperial College London

作者首先从晶体材料的结构入手，一步一步解释晶态材料如何响应外部剪切力。原子的有序排列称为晶格，由一个晶胞（图2a）定义，晶胞是描述晶体整体对称性的最小单元。对于单晶，在塑性变形过程中会出现单滑模式（图2b），这会导致应变局部化，并降低进一步变形所需的应力。对于多晶，晶界上晶格取向的改变，会阻碍甚至阻止位错从一个晶粒移动到另一个晶粒（图2c），从而阻止塑性变形。晶体中的析出和相也同样地控制晶体中的滑移。受到晶体微结构的启发，作者想到构造晶格来模拟金属和合金的晶体微观结构，这种晶格由支柱（相当于原子键）连接的有序排列的节点（类似于原子）组成（图2d），从而改善结构化材料的性能。

图2. 晶格结构和变形行为。图片来源于：Nature

考虑到单晶和单取向晶格结构之间的相似性，作者猜测应该可能通过引入类似于结晶材料中发现的硬化机制（例如晶界硬化、析出硬化和多相硬化）来开发耐损伤的结构化材料。他们认为，想要增强材料的抗损伤能力，就需要在微结构中增加相邻晶粒之间的界限。他们设计并3D打印了一个包含由孪晶边界分隔的“超晶粒（meta-grain）”的结构化材料（图3a/3b）。作者观察到形成的剪切带在孪晶边界上是对称的，这证实了孪晶超晶粒中的剪切带行为与晶体孪晶中的滑动活动相似。作者还使用有限元模型（FEM）来模拟剪切带形成的早期阶段。模拟结果很好地预测了实验中观察到的准孪晶的剪切带（图3c）。在施加外力过程中，晶界上取向的改变有效地控制了剪切带的传播（图3d/3e）。最重要的是，结构化材料的屈服强度随着超晶粒尺寸的减少而显著增加（图3f）。对于单取向的晶格，裂纹在整个宏观晶格中发生并迅速扩展，导致过早和快速断裂（图3g，虚线）。对于包含八个具有不相干大角度晶界的超晶粒的结构化材料，内部晶格取向的旋转导致在自由表面上产生不完整的晶格，与单取向的晶格相比具有较低的屈服度。裂纹在不连贯的大角度晶界处停止，防止了快速脆化断裂（图3g，实线）。

图3. 晶格取向在晶体和结构化晶格变形行为中的作用。图片来源于：Nature

除了晶界硬化，析出硬化（precipitation hardening）和多相硬化（multi-phase hardening）在冶金中也广泛用于设计和制造高性能合金。作者同样借助这些原理，用于3D打印抗损伤结构化材料。结果证明，这些冶金学的原理一样可以用于结构化材料的设计之中。


图4. 结构化材料中的析出硬化和多相硬化。图片来源于：Nature

作者认为，通过结合上述所有策略来调控包含类晶体介观结构的结构化材料的性能，将有可能设计轻量且耐受累积损伤的新型材料。实验证明，他们成功设计制造了一种“超材料”，即结构化材料在宏观晶体中都含有微晶（图5）。例如，毫米尺寸的面心立方结构化材料（图5e）包含一个原子面心立方晶格（图5g），厘米尺寸的结构化多晶粒宏观结构（图5d）由奥氏体不锈钢微米尺寸的本征多晶粒微观结构组成。类似地，通过使用镍超合金来制造模仿镍超合金中发现的γ/γ'超晶格的结构化介观晶格，可以生成多级超晶格。这种多尺度的多级晶体结构在自然界中并不存在，也就是说这种结构化材料是一种超材料，作者将其称为“超晶体（meta-crystal）”。

图5. 轻质且耐损伤的结构化材料。图片来源于：Nature

通过对原子结构的计算机建模、放大和基于多晶材料创建介观结构，工程师们正在改变材料设计的方式，并创造了“超晶体”新材料。在接受媒体采访时，Pham博士说：“现在我们可以打印出更坚固的复合材料。举个例子，我们的方法可以用于建造车辆和建筑物。再加上磁性材料等功能材料的结合，这种可能性是无限的。”他还说，“这种超晶体方法可以与多材料3D打印技术的最新进展相结合，为开发轻量化、机械坚固的新型先进材料开辟了一个新的研究领域，并有潜力推进未来的低碳技术。”

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