“不完美”的完美：Nature報道3D打印抗損傷結構化“超晶體”

來源： X一MOL資訊


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

最近，英國倫敦帝國理工學院（Imperial College London）的Minh-Son Pham等研究者使用晶體材料中發(fā)現(xiàn)的硬化機制，通過模擬晶體材料的微觀結構（例如晶界、析出和相），通過3D打印制備出堅固耐用且耐損傷的結構化材料。此類晶體介觀結構設計中所具有的自由度，也為研究金屬合金中復雜冶金學現(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結構化材料，包含在介觀尺度結構化晶格內(nèi)的原子晶格以及在類多晶介觀結構內(nèi)的多晶微結構。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打印結構化超材料的模型。圖片來源：Imperial College London

作者首先從晶體材料的結構入手，一步一步解釋晶態(tài)材料如何響應外部剪切力。原子的有序排列稱為晶格，由一個晶胞（圖2a）定義，晶胞是描述晶體整體對稱性的最小單元。對于單晶，在塑性變形過程中會出現(xiàn)單滑模式（圖2b），這會導致應變局部化，并降低進一步變形所需的應力。對于多晶，晶界上晶格取向的改變，會阻礙甚至阻止位錯從一個晶粒移動到另一個晶粒（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。受到晶體微結構的啟發(fā)，作者想到構造晶格來模擬金屬和合金的晶體微觀結構，這種晶格由支柱（相當于原子鍵）連接的有序排列的節(jié)點（類似于原子）組成（圖2d），從而改善結構化材料的性能。

圖2. 晶格結構和變形行為。圖片來源于：Nature

考慮到單晶和單取向晶格結構之間的相似性，作者猜測應該可能通過引入類似于結晶材料中發(fā)現(xiàn)的硬化機制（例如晶界硬化、析出硬化和多相硬化）來開發(fā)耐損傷的結構化材料。他們認為，想要增強材料的抗損傷能力，就需要在微結構中增加相鄰晶粒之間的界限。他們設計并3D打印了一個包含由孿晶邊界分隔的“超晶粒（meta-grain）”的結構化材料（圖3a/3b）。作者觀察到形成的剪切帶在孿晶邊界上是對稱的，這證實了孿晶超晶粒中的剪切帶行為與晶體孿晶中的滑動活動相似。作者還使用有限元模型（FEM）來模擬剪切帶形成的早期階段。模擬結果很好地預測了實驗中觀察到的準孿晶的剪切帶（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，結構化材料的屈服強度隨著超晶粒尺寸的減少而顯著增加（圖3f）。對于單取向的晶格，裂紋在整個宏觀晶格中發(fā)生并迅速擴展，導致過早和快速斷裂（圖3g，虛線）。對于包含八個具有不相干大角度晶界的超晶粒的結構化材料，內(nèi)部晶格取向的旋轉(zhuǎn)導致在自由表面上產(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，實線）。

圖3. 晶格取向在晶體和結構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計和制造高性能合金。作者同樣借助這些原理，用于3D打印抗損傷結構化材料。結果證明，這些冶金學的原理一樣可以用于結構化材料的設計之中。


圖4. 結構化材料中的析出硬化和多相硬化。圖片來源于：Nature

作者認為，通過結合上述所有策略來調(diào)控包含類晶體介觀結構的結構化材料的性能，將有可能設計輕量且耐受累積損傷的新型材料。實驗證明，他們成功設計制造了一種“超材料”，即結構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構化材料（圖5e）包含一個原子面心立方晶格（圖5g），厘米尺寸的結構化多晶粒宏觀結構（圖5d）由奧氏體不銹鋼微米尺寸的本征多晶粒微觀結構組成。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'超晶格的結構化介觀晶格，可以生成多級超晶格。這種多尺度的多級晶體結構在自然界中并不存在，也就是說這種結構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)且耐損傷的結構化材料。圖片來源于：Nature

通過對原子結構的計算機建模、放大和基于多晶材料創(chuàng)建介觀結構，工程師們正在改變材料設計的方式，并創(chuàng)造了“超晶體”新材料。在接受媒體采訪時，Pham博士說：“現(xiàn)在我們可以打印出更堅固的復合材料。舉個例子，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合，這種可能性是無限的�！彼�還說，“這種超晶體方法可以與多材料3D打印技術的最新進展相結合，為開發(fā)輕量化、機械堅固的新型先進材料開辟了一個新的研究領域，并有潛力推進未來的低碳技術。”

來源： X一MOL資訊