重磅《Nature》大子刊：3D打印高強韌仿生結(jié)構(gòu)的鎂鈦互穿相復合材料

來源：材料學網(wǎng)

導讀：仿生結(jié)構(gòu)可有效提高材料的機械性能，但難以在金屬系統(tǒng)中構(gòu)建。仿生金屬復合材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系也仍不清楚。本文通過將純鎂熔體無壓滲透到3D打印的 Ti-6Al-4V 支架中來制造 Mg-Ti 復合材料。復合材料的成分是連續(xù)的，在 3-D 空間中相互滲透，并表現(xiàn)出具有仿生磚和砂漿、布利根和交叉層狀結(jié)構(gòu)的特定空間排列。這些結(jié)構(gòu)促進了有效的應(yīng)力傳遞、離域損傷和阻止開裂，從而比具有離散增強的復合材料具有更高的強度和延展性。此外，它們激活了一系列外在的增韌機制，包括裂紋偏轉(zhuǎn)/扭曲和未開裂的韌帶橋接，這使得裂紋尖端能夠屏蔽施加的應(yīng)力并導致“Γ”形上升的抗斷裂 R 曲線。

強度和斷裂韌性是結(jié)構(gòu)材料的兩個重要力學性能，但它們往往表現(xiàn)出相互排斥的關(guān)系。通過從天然生物材料中汲取經(jīng)驗，受生物啟發(fā)的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計已成為提高人造材料性能的有效途徑；特別是，它為實現(xiàn)強度和斷裂韌性的協(xié)同增強提供了新的機會。具體來說，聚合物的簡單增材制造使其成為探索生物和仿生材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的理想原型. 然而，這些材料的結(jié)構(gòu)應(yīng)用通常受到其強度低和耐熱性差的限制�？紤]到它們明顯不同的變形機制，源自聚合材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系對其他材料系統(tǒng)（例如金屬和合金）的適用性也存在疑問。與聚合物相比，在金屬材料中構(gòu)建仿生結(jié)構(gòu)更具挑戰(zhàn)性。這主要是由于在傳統(tǒng)制造過程中難以控制金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)，這通常涉及高溫和高壓。迄今為止，大多數(shù)仿生金屬材料僅限于那些具有珍珠層狀結(jié)構(gòu)的材料，這些結(jié)構(gòu)是通過定向非等距增強材料制造的，然而，最近出現(xiàn)了例外情況，通過將金屬熔體滲透到另一種具有更高熔點的金屬的纖維結(jié)構(gòu)中，在 Cu-W 和 Mg-Ti 系統(tǒng)中制造魚鱗狀結(jié)構(gòu)。

以選擇性激光或電子束熔化的三維 (3-D) 打印為代表的金屬增材制造技術(shù)為以類似于自然界的“自下而上”方式加工金屬材料提供了一種有效的方法。它們在生產(chǎn)具有復雜預先設(shè)計結(jié)構(gòu)的多孔金屬支架方面特別有效，從而為實施仿生設(shè)計提供了新的機會。各種仿生結(jié)構(gòu)已被用于優(yōu)化增材制造金屬支架的機械性能. 然而，這種在致密金屬材料中的建筑結(jié)構(gòu)可能會受到一些限制的阻礙。首先，金屬的增材制造技術(shù)在很大程度上僅限于單一材料系統(tǒng)（或單一成分，即使它由多種成分或成分組成）；當涉及兩種或多種成分時，該過程可能會變得非常復雜。相比之下，自然界中的大多數(shù)生物材料包含至少兩種具有明顯不同剛度的成分 。相對剛性和柔順的成分通常是雙連續(xù)的，并且在 3D 空間中拓撲互連，形成特定的互穿相架構(gòu) . 通過 3-D 打印在聚合物復合材料中構(gòu)建了類似的結(jié)構(gòu)，并被證明可有效提高包括剛度、強度、斷裂韌性和能量耗散能力在內(nèi)的性能，但在 3-D 打印金屬材料中很少實現(xiàn)、 其次，盡管直接比較不同類型的仿生結(jié)構(gòu)之間的機械性能對于它們在材料設(shè)計中的選擇至關(guān)重要，但這對于金屬系統(tǒng)尚未通過實驗實現(xiàn)。第三，結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系是結(jié)構(gòu)優(yōu)化以改善性能的基礎(chǔ)，但對于具有不同結(jié)構(gòu)的仿生金屬材料，除了那些模仿珍珠層的金屬材料，這在很大程度上仍不清楚。特別是，與金屬系統(tǒng)中這些結(jié)構(gòu)相關(guān)的特定強化和增韌機制仍未探索。

為了解決上述問題，中科院金屬所張哲峰教授團隊聯(lián)合美國加州大學伯克利分校Robert O. Ritchie教授等人在這里使用兩步方法制造了一組包含不同仿生結(jié)構(gòu)的 Mg-Ti 互穿相復合材料，具體包括：（i）開放多孔 Ti-6Al-4V 支架的 3D 打印具有仿生結(jié)構(gòu)，以及（ii）用純鎂熔體對支架進行無壓滲透。Ti-6Al-4V 合金和 Mg 被選為成分，因為它們具有高比強度、低密度和良好的生物相容性 此外，它們在剛度上表現(xiàn)出很大的差異，這在質(zhì)量上與生物材料相似。設(shè)計了三種類型的仿生結(jié)構(gòu)：（i）模仿珍珠層的實體結(jié)構(gòu) ，（ii）扭曲的膠合板或模仿節(jié)肢動物外骨骼的所謂 Bouligand 結(jié)構(gòu)，和 (iii) 模仿海螺或雙殼貝殼的交叉層狀結(jié)構(gòu)。

在這項工作中，這三種仿生結(jié)構(gòu)是通過 3D 打印 Ti-6Al-4V 支架構(gòu)建的，然后用 Mg 無壓滲透形成 Mg-Ti 復合材料。該工藝利用了兩種成分之間的巨大熔點差異而沒有劇烈的化學反應(yīng)，以及鎂熔體與 Ti-6Al-4V 合金的良好潤濕性。我們的目的是評估和比較這些復合材料的損傷容限，特別是強度、韌性和抗沖擊性，揭示了它們的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，并闡明了與其特定的仿生架構(gòu)相關(guān)的增韌機制。在此基礎(chǔ)上，我們試圖為仿生金屬材料的建筑選擇和設(shè)計提供指導。此外，我們相信我們的復合材料也可能具有結(jié)構(gòu)和生物醫(yī)學應(yīng)用的潛力。相關(guān)研究成果以題“On the damage tolerance of 3-D printed Mg-Ti interpenetrating-phase composites with bioinspired architectures”發(fā)表在國際著名期刊nature communications上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30873-9

通過將純鎂熔體無壓滲透到 3D 打印的 Ti-6Al-4V 支架中，制備了三種類型的 Mg-Ti 復合材料，其具有仿生磚結(jié)構(gòu)、Bouligand 和交叉層狀結(jié)構(gòu)。Mg 和 Ti-6Al-4V 成分都是連續(xù)的，在 3D 空間中相互滲透，并且在仿生復合材料中表現(xiàn)出特定的空間排列，與其自然原型中的結(jié)構(gòu)在質(zhì)量上是一致的。相鄰的加強層通過 3D 打印過程中形成的熔接接頭相互連接。析出物出現(xiàn)在 Mg 的晶界和成分之間的界面處。

仿生復合材料的拉伸性能均優(yōu)于離散 Ti-6Al-4V 顆粒增強的復合材料，但與它們的特定結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。復合材料的楊氏模量和強度可以通過修改經(jīng)典的層壓板理論來結(jié)合它們的建筑特征，特別是與其成分的方向相關(guān)聯(lián)。這可能為仿生復合材料的建筑選擇和設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

圖 1：3-D 打印的 Ti-6Al-4V 支架及其滲透的 Mg-Ti 復合材料的仿生結(jié)構(gòu)。

圖 2：仿生 Mg-Ti 復合材料的精細微觀結(jié)構(gòu)、相組成和元素分布。a - c Mg-Ti 復合材料的顯微照片，b Ti - 6Al-4V 增強材料，c Mg 基體以及 Mg 和 Ti-6Al-4V 相之間的界面區(qū)域的顯微照片。d晶粒內(nèi)（上）和晶界（下）鎂基體的微區(qū) XRD 圖。e通過EDS測量獲得的元素Mg、Al、Ti、Si和V在與c中的圖像對應(yīng)的區(qū)域中的面積分布。

圖 3：具有三種不同結(jié)構(gòu)的仿生 Mg-Ti 復合材料的單軸拉伸性能和損傷特性。a拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和b復合材料的整體斷裂形態(tài)，拉伸試驗的加載配置在a的插圖中說明。粗粒純鎂的數(shù)據(jù)也顯示在（a）中以進行比較。c – e SEM 圖像和 X 射線計算機斷層掃描 (CT) 的拉伸樣品在 ( c ) 實體、( d ) Bouligand 和 ( e ) 交叉層狀結(jié)構(gòu)的斷裂前卸載的體積渲染。CT圖像通過濾除Mg的信號并以黃色突出裂紋區(qū)域來處理。e中的插圖放大 Mg 內(nèi)的滑移帶以及交叉層狀結(jié)構(gòu)復合材料中裂紋的偏轉(zhuǎn)和分支

圖 4：三種仿生結(jié)構(gòu)的楊氏模量和強度的層壓理論分析。

仿生復合材料呈現(xiàn)出“Γ”形的 R 曲線，其J積分呈上升趨勢，但隨著裂紋的擴展速率呈下降趨勢。仿生結(jié)構(gòu)引發(fā)了一系列外在的增韌機制，包括裂紋偏轉(zhuǎn)/扭曲和未開裂的韌帶橋接，以保護裂紋尖端免受施加的應(yīng)力。裂紋尖端之前的微裂紋進一步促進了這些機制。當沿不同方向加載時，只有交叉層狀結(jié)構(gòu)在沖擊韌性方面表現(xiàn)出顯著的各向異性。

圖 5：不同結(jié)構(gòu)的仿生 Mg-Ti 復合材料的斷裂和沖擊韌性。

圖 6：仿生 Mg-Ti 復合材料的開裂形態(tài)和增韌機制。( a ) 實體、( b ) Bouligand 和 ( c ) 交叉層狀結(jié)構(gòu)的復合材料的準靜態(tài)斷裂韌性樣品的 SEM 圖像和 CT 體積圖。CT圖像通過濾除成分信號并突出裂紋區(qū)域進行處理。( b ) 中的白色箭頭表示裂紋尖端之前的微裂紋。( c )中的插圖放大了鋸齒形開裂路徑以及由此產(chǎn)生的裂紋面之間的摩擦滑動，如箭頭所示。

圖 7：不同結(jié)構(gòu)的仿生 Mg-Ti 復合材料的機械性能比較。

在三種仿生結(jié)構(gòu)中，交叉層狀結(jié)構(gòu)在增強材料、離域損傷和抵抗裂紋擴展方面最有效。這種結(jié)構(gòu)賦予復合材料最佳的機械性能組合，包括強度、斷裂伸長率、斷裂功以及斷裂和沖擊韌性。這主要歸因于其分層性質(zhì)，其中組成方向和界面的變化在不同的長度尺度上是活躍的。

仿生鎂鈦復合材料可能具有結(jié)構(gòu)和生物醫(yī)學應(yīng)用的潛力。仿生結(jié)構(gòu)的顯著強化和增韌效率可進一步用于開發(fā)新的仿生金屬材料。目前的理論分析和處理路線可以為更精確和更有效的方式設(shè)計和構(gòu)建架構(gòu)提供手段。