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

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在常規(guī)固體材料中,，如果用晶格結(jié)構(gòu)來(lái)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(lèi)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(guò)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(lèi)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(guò)模擬晶體材料的微觀結(jié)構(gòu)（例如晶界、析出和相）,，通過(guò)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(lèi)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(lèi)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(guò)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(lái)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(chēng)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(chēng)性的最小單元,。對(duì)于單晶，在塑性變形過(guò)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(lái)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(lèi)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(lái)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(guò)引入類(lèi)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(lái)開(kāi)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(chēng)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(lái)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(guò)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(guò)早和快速斷裂（圖3g,，虛線(xiàn)）,。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(xiàn)）,。

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(lái)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(lái)源于：Nature

作者認(rèn)為,，通過(guò)結(jié)合上述所有策略來(lái)調(diào)控包含類(lèi)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(lèi)似地,，通過(guò)使用鎳超合金來(lái)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(shuō)這種結(jié)構(gòu)化材料是一種超材料,，作者將其稱(chēng)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(lái)源于：Nature

通過(guò)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(fǎng)時(shí)，Pham博士說(shuō)：“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(chē)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,。”他還說(shuō),，“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(kāi)發(fā)輕量化、機(jī)械堅(jiān)固的新型先進(jìn)材料開(kāi)辟了一個(gè)新的研究領(lǐng)域,，并有潛力推進(jìn)未來(lái)的低碳技術(shù),。”

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