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呂堅課題組:天使所成,類米開朗基羅拱頂超材料

3D打印前沿
2021
05/03
18:08
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香港城市大學呂堅院士課題組,最近有個advanced science的工作online,便向南極熊投來“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。

下文由作者團隊供稿

導讀

我們的靈感來自保存最完好的古羅馬古跡-萬神殿。米開朗基羅在1500年早期見到萬神殿時,他宣稱這是:「天使所成,而非人為的設(shè)計」 。他的設(shè)計萬神殿拱頂在羅馬中心已經(jīng)屹立了近500年, 作為當時最大的穹頂建筑,同時擁有高承載和低密度的特點。鑒于此,團隊設(shè)計了具有梯度螺旋的穹頂機械超材料,首次結(jié)合“超納雙相玻璃晶體”金屬涂層,得到的層級結(jié)構(gòu)以其超輕、超高強度和良好的延展性的獨特組合特性,擴展了材料特性的空間范圍。

簡介

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械性能。通過將特征尺寸減小到納米級,利用集成層級結(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,具有超高的比強度。但是,強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,以實現(xiàn)尺寸誘導的脆性到延性轉(zhuǎn)變,卻也導致強度和剛度的提升不明顯。因此,仍需開發(fā)大膽的結(jié)構(gòu)和力學性能優(yōu)異的新型材料,使機械超材料更接近實際應(yīng)用。

基于此,香港城市大學呂堅團隊設(shè)計了一種穹頂機械超材料,原位實驗和數(shù)值模擬表明,該結(jié)構(gòu)具有受力扭轉(zhuǎn)的性能。利用團隊前期開發(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),將超強高塑Al基超納雙相厚涂層沉積于穹頂之上,所得的超納機械超材料強度大幅提高;同時依舊具有延展性,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。相比之前美國團隊在Science上報道的強韌微晶格,抗壓強度提高了73倍。這一設(shè)計理念通過將壓縮與扭轉(zhuǎn)變形模式耦合來抑制災(zāi)難性破壞,實現(xiàn)了良好的強度-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 穹頂層級機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W表征



圖3 超納穹頂復(fù)合物的原位壓縮測試


圖4 超納穹頂復(fù)合物良好的強度-延性組合,并與先前報道超材料比較

圖5穹頂機械超材料的循環(huán)加載與潛在應(yīng)用

小結(jié)

綜上所述,這個研究提出了一種創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計策略,通過在穹頂建筑中引入螺旋梁來增強延展性。克服了“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,抗壓比強度高達156.09 MPa cm3 /g,密度遠低于水,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,同時扭轉(zhuǎn)亦能通過耗散能量來抑制復(fù)合材料的災(zāi)難性崩塌。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計的策略對于其他材料系統(tǒng)依舊可行,從而極大程度地發(fā)揮了薄膜的優(yōu)勢,克服強度-延展性之間相互制約的問題。其極低的相對密度和獨特的形狀使其在醫(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)中導管尖端,葉片或全翼結(jié)構(gòu)中的輕質(zhì)填充材料。

呂堅院士簡介

呂堅,法國國家技術(shù)科學院(NATF)院士,香港城市大學機械工程系講座教授,國家貴金屬材料工程研究中心香港分社,香港材料研究會(HKMRS)理事長,香港力學學會前理事長,先進結(jié)構(gòu)材料中心主任,國家貴金屬材料工程研究中心香港分中心主任。研究方向涉及先進結(jié)構(gòu)與功能納米材料的制備和力學性能,機械系統(tǒng)仿真模擬設(shè)計。曾任法國機械工業(yè)技術(shù)中 (CETIM)高級研究工程師和實驗室負責人,法國特魯瓦技術(shù)大學機械系統(tǒng)工程系系主任,法國教育部與法國國家科學中心(CNRS)機械系統(tǒng)與并行工程實驗室主任,香港理工大學機械工程系系主任、講座教授,兼任香港理工大學工程學院副院長,香港城市大學副校長。曾任法國、歐盟和中國的多項研究項目的負責人,并與空客、EADS、寶鋼、安賽樂米塔爾、AREVA、ALSTOM、EDF、ABB、雷諾、標致等世界五百強公司有合作研究關(guān)系或為它們進行科學咨詢工作。曾任歐盟第五框架科研計劃評審專家;歐盟第六框架科研計劃咨詢專家;中國國家自然科學基金委海外評審專家,中科院首批海外評審專家,中科院沈陽金屬所客座首席研究員,東北大學、北京科技大學、南昌大學名譽教授,西安交通大學和西北工業(yè)大學顧問教授,上海大學、中山大學、中南大學等大學客座教授,中科院知名學者團隊成員,2011年被法國國家技術(shù)科學院(NATF)選為院士,是該院近300位院士中首位華裔院士。2006年與2017年分別獲法國總統(tǒng)任命獲法國國家榮譽騎士勛章及法國國家榮譽軍團騎士勛章,2018年獲中國工程院光華工程科技獎。已取得34項歐、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2萬8千余次(Google Scholar) 。




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