呂堅課題組：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(tuán)隊供稿

導(dǎo)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(dāng)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(tuán)隊設(shè)計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,，得到的層級結(jié)構(gòu)以其超輕,、超高強(qiáng)度和良好的延展性的獨特組合特性，擴(kuò)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(jī)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(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(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)械超材料更接近實際應(yīng)用,。

基于此,，香港城市大學(xué)呂堅團(tuán)隊設(shè)計了一種穹頂機(jī)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(tuán)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(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(tuán)隊在Science上報道的強(qiáng)韌微晶格,，抗壓強(qiáng)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(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(qiáng)延展性,�,？朔�了“越薄延展性越好”的尺寸效��(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(qiáng)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(dǎo)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(xué)院（NATF）院士,，香港城市大學(xué)機(jī)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(xué)學(xué)會前理事長，先進(jìn)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(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,。曾任法國機(jī)械工業(yè)技術(shù)中 (CETIM)高級研究工程師和實驗室負(fù)責(zé)人，法國特魯瓦技術(shù)大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)工程系系主任,，法國教育部與法國國家科學(xué)中心（CNRS）機(jī)械系統(tǒng)與并行工程實驗室主任,，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,，香港城市大學(xué)副校長。曾任法國,、歐盟和中國的多項研究項目的負(fù)責(zé)人,，并與空客、EADS,、寶鋼,、安賽樂米塔爾、AREVA,、ALSTOM,、EDF、ABB,、雷諾,、標(biāo)致等世界五百強(qiáng)公司有合作研究關(guān)系或為它們進(jìn)行科學(xué)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(xué)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(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)隊成員，2011年被法國國家技術(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年分別獲法國總統(tǒng)任命獲法國國家榮譽(yù)騎士勛章及法國國家榮譽(yù)軍團(tuán)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） ,。