Nat.Commun：利用納米尺度的力學不穩定性實現超低剛度金屬

【引言】

工程復合材料一般通過結合不同的材料實現單組元不具有的性能，或者通過優化微觀組織獲得優異機械性能。然而復合材料的設計并非沒有限制，成分組成、混合形式在復合材料設計中起關鍵作用，并且給予性能不可逾越的極限，例如剛度屬性取決于相位分布。近日有學者對超材料進行了研究，超材料在準靜態條件下展示了一種剛度低于2GPa的完全致密的金屬。

【成果簡介】

近日，普渡大學Alejandro Strachan（通訊作者）在Nat.Commun上發布了一篇關于超低剛度金屬的文章，題為“Harnessing mechanical instabilities at the nanoscale to achieve ultra-low stiffness metals”。研究人員利用與兼容、穩定的第二組分的相干整合，使馬氏體合金的力學不穩定性和低剛度狀態穩定化，進而設計完全致密的超低剛度納米結構金屬，模量低至2GPa，比任一成分的模量都低，與以往的復合材料不同。

【圖片導讀】

圖1:點陣參數對馬氏體轉變自由能的影響

插圖為NiAl和Ni₆₃Al₃₇之間的外延界面的示意圖，其中Al原子是淺藍色，NiAl中的Ni是深藍色，Ni₆₃Al₃₇中的Ni是紅色的。

圖2：金屬納米線的應力 - 應變響應

(a) T-Core納米線各階段、各部分的應力 - 應變曲線；

(b) T-Shell納米線各階段、各部分的應力 - 應變曲線。

T-Core ：Core(Ni₆₃Al₃₇)/Shell(NiAl)

T-Shell：Core(NiAl)/Shell(Ni₆₃Al₃₇)

圖3：彈性和非彈性變形過程的原子結構

(a) Ni₆₃Al₃₇納米線在一個新的定向形核處發生單軸應變；

(b) 70％的T-Shell納米線改變局部晶格參數發生的應變。

圖4：純納米線與超材料納米線的結構分析

(a) 在20％單軸應變Ni₆₃Al₃₇納米線的結構；

(b) RDF達到5％應變對的結構；

(c) 70％T-Shell超材料納米線結構；

(d) RDF位于單個相之間的超材料結構。

圖5：納米異質外延超材料的低剛度

(a) Ni₆₃Al₃₇原子的納米線拉伸強度曲線；

(b) 納米線的彈性模量-拉伸強度的對比。

【小結】

這篇文章揭示了在納米尺度內力學不穩定性對超低剛度材料性能的影響。通過材料在相變過程中經歷的力學不穩定性和對超材料的分子動力學模擬的手段，在準靜態條件下得到了剛度低于2GPa的超金屬。研究結果表明，在準靜態條件下，超材料通過一系列的手段得到了完全致密、全面強度納米級的超低剛度。

文獻鏈接：Harnessing mechanical instabilities at the nanoscale to achieve ultra-low stiffness metals（Nat.Commun, 2017，DOI:10.1038/s41467-017-01260-6）

本文由材料人編輯部新人組胡爽編譯，陳炳旭審核，點我加入材料人編輯部。

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