“不完美”的完美：Nature報(bào)道3D打印抗損傷結(jié)構(gòu)化“超晶體”

來源： X一MOL資訊


在常規(guī)固體材料中，如果用晶格結(jié)構(gòu)來代替固體，就可能得到具有常規(guī)固體無(wú)法企及的性質(zhì)（例如負(fù)泊松比）且更加輕質(zhì)的新型超材料——結(jié)構(gòu)化材料（architected materials）。結(jié)構(gòu)化材料包括周期性排列的節(jié)點(diǎn)（nodes）和支柱（struts），通常由具有相同取向的相同結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，這非常類似單晶中的“晶胞”。這就導(dǎo)致當(dāng)結(jié)構(gòu)化材料負(fù)載超過屈服點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)局部高應(yīng)力帶，造成材料機(jī)械強(qiáng)度的災(zāi)難性崩潰。這種“后屈服崩潰”現(xiàn)象類似于金屬單晶中與位錯(cuò)滑移相關(guān)的應(yīng)力快速下降。而在多晶材料中，原子平面的排列是隨機(jī)的，所以當(dāng)剪切力導(dǎo)致一個(gè)晶體產(chǎn)生的裂紋與另一個(gè)晶體相遇時(shí)，由于原子的排列方式不同，裂紋傳播會(huì)減速或停止。這種多晶材料的特性可以作為設(shè)計(jì)抗損傷結(jié)構(gòu)化材料的參考。

最近，英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院（Imperial College London）的Minh-Son Pham等研究者使用晶體材料中發(fā)現(xiàn)的硬化機(jī)制，通過模擬晶體材料的微觀結(jié)構(gòu)（例如晶界、析出和相），通過3D打印制備出堅(jiān)固耐用且耐損傷的結(jié)構(gòu)化材料。此類晶體介觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所具有的自由度，也為研究金屬合金中復(fù)雜冶金學(xué)現(xiàn)象（如滑移）提供了替代方法。他們還表明，使用多晶材料制造晶格可得到多級(jí)結(jié)構(gòu)化材料，包含在介觀尺度結(jié)構(gòu)化晶格內(nèi)的原子晶格以及在類多晶介觀結(jié)構(gòu)內(nèi)的多晶微結(jié)構(gòu)。而且，這種材料的性質(zhì)可以通過微觀、介觀和宏觀尺度晶格的多種組合而輕松調(diào)控。

圖1. 3D打印結(jié)構(gòu)化超材料的模型。圖片來源：Imperial College London

作者首先從晶體材料的結(jié)構(gòu)入手，一步一步解釋晶態(tài)材料如何響應(yīng)外部剪切力。原子的有序排列稱為晶格，由一個(gè)晶胞（圖2a）定義，晶胞是描述晶體整體對(duì)稱性的最小單元。對(duì)于單晶，在塑性變形過程中會(huì)出現(xiàn)單滑模式（圖2b），這會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變局部化，并降低進(jìn)一步變形所需的應(yīng)力。對(duì)于多晶，晶界上晶格取向的改變，會(huì)阻礙甚至阻止位錯(cuò)從一個(gè)晶粒移動(dòng)到另一個(gè)晶粒（圖2c），從而阻止塑性變形。晶體中的析出和相也同樣地控制晶體中的滑移。受到晶體微結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，作者想到構(gòu)造晶格來模擬金屬和合金的晶體微觀結(jié)構(gòu)，這種晶格由支柱（相當(dāng)于原子鍵）連接的有序排列的節(jié)點(diǎn)（類似于原子）組成（圖2d），從而改善結(jié)構(gòu)化材料的性能。

圖2. 晶格結(jié)構(gòu)和變形行為。圖片來源于：Nature

考慮到單晶和單取向晶格結(jié)構(gòu)之間的相似性，作者猜測(cè)應(yīng)該可能通過引入類似于結(jié)晶材料中發(fā)現(xiàn)的硬化機(jī)制（例如晶界硬化、析出硬化和多相硬化）來開發(fā)耐損傷的結(jié)構(gòu)化材料。他們認(rèn)為，想要增強(qiáng)材料的抗損傷能力，就需要在微結(jié)構(gòu)中增加相鄰晶粒之間的界限。他們?cè)O(shè)計(jì)并3D打印了一個(gè)包含由孿晶邊界分隔的“超晶粒（meta-grain）”的結(jié)構(gòu)化材料（圖3a/3b）。作者觀察到形成的剪切帶在孿晶邊界上是對(duì)稱的，這證實(shí)了孿晶超晶粒中的剪切帶行為與晶體孿晶中的滑動(dòng)活動(dòng)相似。作者還使用有限元模型（FEM）來模擬剪切帶形成的早期階段。模擬結(jié)果很好地預(yù)測(cè)了實(shí)驗(yàn)中觀察到的準(zhǔn)孿晶的剪切帶（圖3c）。在施加外力過程中，晶界上取向的改變有效地控制了剪切帶的傳播（圖3d/3e）。最重要的是，結(jié)構(gòu)化材料的屈服強(qiáng)度隨著超晶粒尺寸的減少而顯著增加（圖3f）。對(duì)于單取向的晶格，裂紋在整個(gè)宏觀晶格中發(fā)生并迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致過早和快速斷裂（圖3g，虛線）。對(duì)于包含八個(gè)具有不相干大角度晶界的超晶粒的結(jié)構(gòu)化材料，內(nèi)部晶格取向的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致在自由表面上產(chǎn)生不完整的晶格，與單取向的晶格相比具有較低的屈服度。裂紋在不連貫的大角度晶界處停止，防止了快速脆化斷裂（圖3g，實(shí)線）。

圖3. 晶格取向在晶體和結(jié)構(gòu)化晶格變形行為中的作用。圖片來源于：Nature

除了晶界硬化，析出硬化（precipitation hardening）和多相硬化（multi-phase hardening）在冶金中也廣泛用于設(shè)計(jì)和制造高性能合金。作者同樣借助這些原理，用于3D打印抗損傷結(jié)構(gòu)化材料。結(jié)果證明，這些冶金學(xué)的原理一樣可以用于結(jié)構(gòu)化材料的設(shè)計(jì)之中。


圖4. 結(jié)構(gòu)化材料中的析出硬化和多相硬化。圖片來源于：Nature

作者認(rèn)為，通過結(jié)合上述所有策略來調(diào)控包含類晶體介觀結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)化材料的性能，將有可能設(shè)計(jì)輕量且耐受累積損傷的新型材料。實(shí)驗(yàn)證明，他們成功設(shè)計(jì)制造了一種“超材料”，即結(jié)構(gòu)化材料在宏觀晶體中都含有微晶（圖5）。例如，毫米尺寸的面心立方結(jié)構(gòu)化材料（圖5e）包含一個(gè)原子面心立方晶格（圖5g），厘米尺寸的結(jié)構(gòu)化多晶粒宏觀結(jié)構(gòu)（圖5d）由奧氏體不銹鋼微米尺寸的本征多晶粒微觀結(jié)構(gòu)組成。類似地，通過使用鎳超合金來制造模仿鎳超合金中發(fā)現(xiàn)的γ/γ'超晶格的結(jié)構(gòu)化介觀晶格，可以生成多級(jí)超晶格。這種多尺度的多級(jí)晶體結(jié)構(gòu)在自然界中并不存在，也就是說這種結(jié)構(gòu)化材料是一種超材料，作者將其稱為“超晶體（meta-crystal）”。

圖5. 輕質(zhì)且耐損傷的結(jié)構(gòu)化材料。圖片來源于：Nature

通過對(duì)原子結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)建模、放大和基于多晶材料創(chuàng)建介觀結(jié)構(gòu)，工程師們正在改變材料設(shè)計(jì)的方式，并創(chuàng)造了“超晶體”新材料。在接受媒體采訪時(shí)，Pham博士說：“現(xiàn)在我們可以打印出更堅(jiān)固的復(fù)合材料。舉個(gè)例子，我們的方法可以用于建造車輛和建筑物。再加上磁性材料等功能材料的結(jié)合，這種可能性是無(wú)限的�！彼�還說，“這種超晶體方法可以與多材料3D打印技術(shù)的最新進(jìn)展相結(jié)合，為開發(fā)輕量化、機(jī)械堅(jiān)固的新型先進(jìn)材料開辟了一個(gè)新的研究領(lǐng)域，并有潛力推進(jìn)未來的低碳技術(shù)�！�

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