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金屬所研發出高阻尼、高吸能與形狀記憶兼得的鎂基仿生材料
 
2020-05-09 | 文章來源:師昌緒先進材料創新中心        【 】【打印】【關閉

  除了高比強度、比剛度以及優異的導熱與電磁屏蔽等性能,鎂的阻尼性能顯著優于大多數工程金屬材料,甚至可比肩一些常用的高分子材料,但其強度與耐熱性明顯高于高分子材料,因此在減震、吸能、降噪等方面突顯優勢。鎂及其合金的強度、剛度、塑性和斷裂韌性仍低于鋼鐵和鋁合金,且抗高溫蠕變能力差,制約了其廣泛應用。眾所周知,金屬材料的強度與阻尼性能表現為相互矛盾的倒置關系,一方面通過對位錯運動的限制可實現強度的提高,另一方面阻尼則要求位錯易于運動和擺脫釘扎,這導致依賴經典的材料強化手段必然以犧牲阻尼性能為代價。如何在不顯著提高密度且不降低阻尼性能的前提下,實現鎂和鎂合金強韌化成為具有挑戰性的關鍵科學問題。 

  與人造材料相比,天然生物材料的宏觀力學性能通常顯著優于其基本結構單元的簡單加和,本源在于其復雜、多尺度的自組裝結構。諸如貝殼、骨骼等在微觀上呈現三維相互貫穿式結構,各組成相保持連通且相互穿插,由此實現各組成相在性能與功能上的優勢互補,以及材料的同步強韌化。對自然界神奇“結構-性能關系”的理解為設計綜合性能優異的新材料提供了獨到的思路。 

  最近,針對航空航天、精密儀器等領域對于材料減震、吸能等方面的性能需求,中國科學院金屬研究所材料疲勞與斷裂實驗室劉增乾、張哲峰,鈦合金研究部李述軍、楊銳等與美國加州大學伯克利分校、中國工程物理研究院開展合作,借鑒天然生物材料三維互穿微觀結構的理念,將鎂熔融浸滲至增材制造的鎳鈦合金骨架,構筑成輕質、高強、高阻尼、高吸能鎂-鎳鈦仿生復合材料(見圖1)。 

  微觀三維互穿仿生結構不僅實現了鎳鈦增強相與鎂基體在性能優勢上的互補與結合,而且賦予材料形狀記憶與自修復功能。首先,組成相在三維空間相互穿插有利于促進相互間的應力傳遞,弱化應力集中,使兩相的變形更加協調,更好地發揮了鎳鈦增強相的強化效果,仿生復合材料的強度顯著高于基于混合定律的簡單疊加(見圖2)。其次,仿生復合材料中基體與增強相之間不僅依靠界面的冶金結合,而且存在三維穿插的機械互鎖,有效地避免了因界面開裂造成的過早失效,賦予材料良好的損傷容限。再次,仿生復合材料中組成相在三維空間的貫通,不僅充分保留了鎂基體的阻尼性能,而且兩相之間的弱界面結合可引入微屈服、微裂紋等新的阻尼機制,進一步提高阻尼性能。此外,在特定溫度范圍(>150℃),鎳鈦增強相骨架的形狀記憶效應與鎂基體的蠕變行為具有耦合效應,鎳鈦的回復應力遠高于基體的蠕變應力,使得形變損傷后的仿生復合材料可通過常規熱處理恢復其初始形狀和強度,達到形狀記憶兼具自修復功能的雙重效果,并且可往復循環利用(見圖3)。  

  通過多重機制分別提高強度和阻尼性能,新型仿生復合材料突破了兩者之間的相互制約關系,實現了鎂合金的強度、阻尼和能量吸收效率等多種性能的良好結合,綜合性能優于目前已知的工程材料(見圖4),有望成為精密儀器、航空航天等領域需求的新型阻尼減震材料。 

  上述工作于近日發表在《Science Advances6 (2020) eaba5581,文章第一作者為中國科學院金屬研究所博士研究生張明陽。相關工作得到了國家自然科學基金、“興遼英才計劃”和中國科學院前沿科學重點研究計劃等項目的資助。  

  文章鏈接

圖1:新型鎂-鎳鈦仿生復合材料的制備工藝及其微觀三維互穿仿生結構

圖2:新型鎂-鎳鈦仿生復合材料的壓縮力學性能和阻尼性能及其與各組成相的比較

圖3:新型鎂-鎳鈦仿生復合材料在不同應變條件下的形狀記憶功能與微觀回復機制

圖4:新型鎂-鎳鈦仿生復合材料的強度、阻尼性能和能量吸收效率與其他材料的比較

 

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