呂堅(jiān)課題組：天使所成，類米開朗基羅拱頂超材料

香港城市大學(xué)呂堅(jiān)院士課題組，最近有個(gè)advanced science的工作online，便向南極熊投來(lái)“The twisting of dome-like metamaterial from brittle to ductile”天使所成，類米開朗基羅拱頂超材料的稿件。

下文由作者團(tuán)隊(duì)供稿

導(dǎo)讀

我們的靈感來(lái)自保存最完好的古羅馬古跡-萬(wàn)神殿。米開朗基羅在1500年早期見(jiàn)到萬(wàn)神殿時(shí)，他宣稱這是：「天使所成，而非人為的設(shè)計(jì)」 。他的設(shè)計(jì)萬(wàn)神殿拱頂在羅馬中心已經(jīng)屹立了近500年， 作為當(dāng)時(shí)最大的穹頂建筑，同時(shí)擁有高承載和低密度的特點(diǎn)。鑒于此，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了具有梯度螺旋的穹頂機(jī)械超材料，首次結(jié)合“超納雙相玻璃晶體”金屬涂層，得到的層級(jí)結(jié)構(gòu)以其超輕、超高強(qiáng)度和良好的延展性的獨(dú)特組合特性，擴(kuò)展了材料特性的空間范圍。

簡(jiǎn)介

結(jié)構(gòu)超材料可以表現(xiàn)出傳統(tǒng)塊體材料所不具備的機(jī)械性能。通過(guò)將特征尺寸減小到納米級(jí)，利用集成層級(jí)結(jié)構(gòu)和尺寸效應(yīng)，雙光子光刻技術(shù)制造的金屬/陶瓷微/納復(fù)合結(jié)構(gòu)完整性大大增強(qiáng)，具有超高的比強(qiáng)度。但是，強(qiáng)度和延展性的獲得通常是相互排斥的。隨著薄膜厚度的增加，報(bào)道的結(jié)構(gòu)材料通常以災(zāi)難性的脆性失效而告終。于是有“越薄延展性越好”的尺寸效應(yīng)，薄膜厚度通常小于100 nm甚至10nm，以實(shí)現(xiàn)尺寸誘導(dǎo)的脆性到延性轉(zhuǎn)變，卻也導(dǎo)致強(qiáng)度和剛度的提升不明顯。因此，仍需開發(fā)大膽的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能優(yōu)異的新型材料，使機(jī)械超材料更接近實(shí)際應(yīng)用。

基于此，香港城市大學(xué)呂堅(jiān)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種穹頂機(jī)械超材料，原位實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬表明，該結(jié)構(gòu)具有受力扭轉(zhuǎn)的性能。利用團(tuán)隊(duì)前期開發(fā)的非晶基體中密集嵌入納米尺寸晶體顆粒的雙相材料（超納雙相材料），將超強(qiáng)高塑Al基超納雙相厚涂層沉積于穹頂之上，所得的超納機(jī)械超材料強(qiáng)度大幅提高；同時(shí)依舊具有延展性，這得益于軸向荷載下結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)為材料提供了額外的變形模式。相比之前美國(guó)團(tuán)隊(duì)在Science上報(bào)道的強(qiáng)韌微晶格，抗壓強(qiáng)度提高了73倍。這一設(shè)計(jì)理念通過(guò)將壓縮與扭轉(zhuǎn)變形模式耦合來(lái)抑制災(zāi)難性破壞，實(shí)現(xiàn)了良好的強(qiáng)度-延性組合。

相關(guān)研究結(jié)果以題為“The twisting of dome-like metamaterial from brittle to ductile”發(fā)表在《Advanced Science》（IF=15.84）上。

論文鏈接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202002701

圖片與描述


圖1 穹頂層級(jí)機(jī)械超材料的示意圖與微觀結(jié)構(gòu)表征


圖2 不同螺旋結(jié)構(gòu)穹頂?shù)牧�學(xué)表征



圖3 超納穹頂復(fù)合物的原位壓縮測(cè)試


圖4 超納穹頂復(fù)合物良好的強(qiáng)度-延性組合，并與先前報(bào)道超材料比較

圖5穹頂機(jī)械超材料的循環(huán)加載與潛在應(yīng)用

小結(jié)

綜上所述，這個(gè)研究提出了一種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略，通過(guò)在穹頂建筑中引入螺旋梁來(lái)增強(qiáng)延展性�？朔�了“越薄延展性越好”的尺寸效應(yīng)，即沉積了厚涂層后，剛度大幅度提升77倍，抗壓比強(qiáng)度高達(dá)156.09 MPa cm3 /g，密度遠(yuǎn)低于水，卻依舊表現(xiàn)出極好的延展性和可循環(huán)性。穹頂中的螺旋扭轉(zhuǎn)效應(yīng)有助于減輕軟材料中的snap-through不穩(wěn)定性，同時(shí)扭轉(zhuǎn)亦能通過(guò)耗散能量來(lái)抑制復(fù)合材料的災(zāi)難性崩塌。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的策略對(duì)于其他材料系統(tǒng)依舊可行，從而極大程度地發(fā)揮了薄膜的優(yōu)勢(shì)，克服強(qiáng)度-延展性之間相互制約的問(wèn)題。其極低的相對(duì)密度和獨(dú)特的形狀使其在醫(yī)療設(shè)備和航空航天領(lǐng)域均有潛在應(yīng)用，例如介入手術(shù)中導(dǎo)管尖端，葉片或全翼結(jié)構(gòu)中的輕質(zhì)填充材料。

呂堅(jiān)院士簡(jiǎn)介

呂堅(jiān)，法國(guó)國(guó)家技術(shù)科學(xué)院（NATF）院士，香港城市大學(xué)機(jī)械工程系講座教授，國(guó)家貴金屬材料工程研究中心香港分社，香港材料研究會(huì)（HKMRS）理事長(zhǎng)，香港力學(xué)學(xué)會(huì)前理事長(zhǎng)，先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料中心主任，國(guó)家貴金屬材料工程研究中心香港分中心主任。研究方向涉及先進(jìn)結(jié)構(gòu)與功能納米材料的制備和力學(xué)性能，機(jī)械系統(tǒng)仿真模擬設(shè)計(jì)。曾任法國(guó)機(jī)械工業(yè)技術(shù)中 (CETIM)高級(jí)研究工程師和實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人，法國(guó)特魯瓦技術(shù)大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)工程系系主任，法國(guó)教育部與法國(guó)國(guó)家科學(xué)中心（CNRS）機(jī)械系統(tǒng)與并行工程實(shí)驗(yàn)室主任，香港理工大學(xué)機(jī)械工程系系主任、講座教授，兼任香港理工大學(xué)工程學(xué)院副院長(zhǎng)，香港城市大學(xué)副校長(zhǎng)。曾任法國(guó)、歐盟和中國(guó)的多項(xiàng)研究項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人，并與空客、EADS、寶鋼、安賽樂(lè)米塔爾、AREVA、ALSTOM、EDF、ABB、雷諾、標(biāo)致等世界五百?gòu)?qiáng)公司有合作研究關(guān)系或?yàn)樗鼈冞M(jìn)行科學(xué)咨詢工作。曾任歐盟第五框架科研計(jì)劃評(píng)審專家；歐盟第六框架科研計(jì)劃咨詢專家；中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委海外評(píng)審專家，中科院首批海外評(píng)審專家，中科院沈陽(yáng)金屬所客座首席研究員，東北大學(xué)、北京科技大學(xué)、南昌大學(xué)名譽(yù)教授，西安交通大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)顧問(wèn)教授，上海大學(xué)、中山大學(xué)、中南大學(xué)等大學(xué)客座教授，中科院知名學(xué)者團(tuán)隊(duì)成員，2011年被法國(guó)國(guó)家技術(shù)科學(xué)院（NATF）選為院士，是該院近300位院士中首位華裔院士。2006年與2017年分別獲法國(guó)總統(tǒng)任命獲法國(guó)國(guó)家榮譽(yù)騎士勛章及法國(guó)國(guó)家榮譽(yù)軍團(tuán)騎士勛章，2018年獲中國(guó)工程院光華工程科技獎(jiǎng)。已取得34項(xiàng)歐、美、中專利授權(quán)，在本領(lǐng)域頂尖雜志Nature（封面文章）、Science、Nature Materials、Materials Today、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nature Communications、Science Advances、 Advanced Science、PRL、Angew. Chem. 等專業(yè)雜志上發(fā)表論文400余篇，引用2萬(wàn)8千余次（Google Scholar） 。