麥吉爾大學PNAS助力建筑材料飛躍：同時提高拓撲互鎖陶瓷的強度和韌性

【引言】

構筑特定的微觀結構，利用材料異質性或混合成分已經被大量證明可以提高現代材料的性能。拓撲互鎖材料（TIM）使用摩擦滑動產生大的變形并在其他所有脆性部件中建立韌性。TIM的抗沖擊性比單片形式高10倍，但這種改進通常以靜態強度為代價。本文報告基于八面體塊的TIM設計，其不僅比相同材料的整體板更堅韌（50×），而且更強（1.2×）。由于TIM材料沒有強度和韌性上限，具有作為高性能結構材料的巨大潛力。基于本研究工作，本文提出了一個無量綱的“互鎖參數”，可以指導未來的研究。在這項工作中，研究者們系統地探索了基于柏拉圖形狀的建筑面板的設計以及它們的截斷版本，以深入了解這些系統的結構-力學-性能關系。

【成果簡介】

近日，加拿大麥吉爾大學的Mohammad Mirkhalaf（第一作者）在Francois Barthelat教授的指導下，在國際頂級綜合性期刊PNAS上面發表了文章：Simultaneous improvements of strength and toughness in topologically interlocked ceramics。拓撲互鎖材料（TIM）是一種新興的建筑材料，主要基于剛控制的幾何形狀的剛性構件，可以滑動，旋轉或互鎖，共同提供豐富的可調機構，精確的結構特性和功能。TIM的抗沖擊性通常是其整體形式的10倍，但這種改進通常以犧牲強度為代價。Francois Barthelat教授團隊使用3D打印和復制鑄造來探索基于柏拉圖形狀及其截斷版本的15種建筑陶瓷面板設計。 本文在準靜態和沖擊條件下測試了面板，通過立體成像，圖像相關和三維重建來監控各個塊的位移和旋轉。本文報告了一個基于八面體塊的設計，它不僅比相同材料的整體板材更堅韌（50×）而且也更強（1.2×）。研究結果表明，TIM的強度和韌性沒有上限，它們作為結構和多功能材料具有巨大的潛力。基于本文的實驗，Francois Barthelat教授團隊提出了一個無量綱的“互鎖參數”，可以為研究人員探索未來的架構系統提供指導。

【圖文導讀】

圖1.建筑板的制造步驟。

（A）聚合物結構單元的三維印刷;

（B）將3D打印的塊轉移到基板上;

（C）澆注硅樹脂以制成用作模具的復制品;

（D）從固化的硅氧烷模具中取出3D打印的塊;

（E）將硫酸鈣（CaSO₄）壓鑄到硅膠模具中;

（F）將構件組裝并用膠帶轉移到鋁框架中。

圖2.本研究探索的15個建筑面板設計概述：對于每個組，顯示了單個塊的幾何形狀，以及由CaSO₄塊制成的7×7面板的組件示意圖和圖片。

（A）基于方形內側截面的截頂四面體;

（B）基于六邊形內側部分的截頭八面體;

（C）十二面體。

圖3.架構面板的機械響應。

（A）實驗裝置的示意圖;

（B）在準靜態和沖擊條件下測試由八面體塊制成的建筑板的力-撓度曲線。具有相同面密度的整體板的響應也顯示用于比較。另外兩個圖顯示了在立體成像和3D重建獲得的測試過程中塊的總滑動面積和平均旋轉;

（C）postmortem樣品：整塊板在災難性破碎時失敗，而在建筑板中，失效局限于中心塊;

（D）面板的三維重建，顯示在裝載期間六個點（A-F）處的塊的平均垂直位移。

圖4.結構對機械性能的影響。

互鎖角對（A）剛度，（B）最大力和（C）能量吸收的影響; 最大力-能量吸收圖表和本研究中探討的所有建筑面板在（D）準靜態條件和（E）影響中進行了測試。著色區域的寬度代表實驗結果的變化。

圖5.基于在互鎖期間存儲在各個塊中的應變能量的單個無量綱互鎖參數。

可用于預測（A）最大力和（B）能量吸收。這種方法可以有效地預測其他設計的性能，而無需實驗或昂貴的計算模型。 著色區域的寬度代表實驗結果的變化。

【小結】

這項研究工作系統地探索了由凸陶瓷塊制成的拓撲互鎖面板。在沖擊力或橫向力的作用下，各個塊滑動和旋轉，提供大的變形和韌性，這導致高度局部化的失效。相比之下，整體板以脆性方式破裂并且通過破碎而發生災難性破壞。我們已經確定了一種基于八面體嵌段的結構，與單片形式相比，其韌性不僅提高了50倍，而且強度提高了約20％。塊之間的界面不能承受拉伸應力，因此會破壞拉伸應力，而拉伸應力是彎曲板失效的常見原因。八面體設計提供了額外的穩定性，因為接觸力分布在三個接觸表面上，并且因為在這里探索的幾何形狀中，這種幾何形狀在互鎖強度和摩擦接觸應力引起的表面損傷之間提供了最有效的平衡。有許多其他架構需要探索，其中一些架構可以帶來更高的性能（凹塊，非平面）。然而，對這個大型設計空間的探索是困難的，因為實驗是漫長的，并且如果可能的話，數值模型在計算上是昂貴的。為了指導這種探索，本文提出了一個無量綱的互鎖參數，本文證明它與面板的性能有很好的相關性。這個參數可以很容易地計算出任何幾何形狀，這可以大大加快新設計的探索。我們的實驗結果的可變性對于整體式和架構式面板來說是相似的。但是，不清楚TIM面板的強度遵循哪種類型的分布，因為我們沒有針對每種配置進行足夠的實驗。構造板的強度在塊之間滑動的開始受到技術上的控制，這可能遵循與最弱鏈接（Weibull）統計不同的統計規律。該領域需要更多的實驗和模型。結構化面板的一個重要設計參數是界面處的摩擦系數，可以通過在塊的表面上增加粗糙度來精細調整。有趣的是，自然界在使用建筑材料方面領先于工程師。諸如骨頭，牙齒或軟體動物殼之類的材料也由具有明確尺寸和形狀的剛性構件組成，通過可變形生物粘合劑粘合在一起。這些材料的卓越機械性能可能源于其獨特的3D架構。此外，天然材料中的構建塊不僅通過接觸和摩擦進行簡單的交互，還通過具有犧牲鍵，動態交聯和粘性行為的復雜聚合物進行交互，這也可以作為界面研究的靈感來源。在合成架構材料中，通過較弱的界面將承載結構分割成較小的元件是一種產生機械性能的反直覺方法，但是生最近對物材料和建筑材料的研究表明，它確實是一種在保持強度的同時克服脆性的有力策略。這些建筑材料和系統的新特性組合可以使它們適用于各種應用，包括保護板和裝甲，結構板或高溫結構。

文章鏈接：Simultaneous improvements of strength and toughness in topologically interlocked ceramics. (PNAS, DOI: 10.1073/pnas.1807272115)

本文由材料人編輯部納米材料學術組 艾超 供稿，材料牛編輯整理。