Nat. Mater. 美國研究人員構筑出多尺度金屬超材料

近年來，“構筑材料”的概念越來越得到材料界科研人員的廣泛關注，簡單來說就是通過先進的制造技術（比如火了很久的3D打印增材制造技術）來人為地調控材料的微觀組織，控制它的分布以及狀態，從而達到所需要的結構性能或者功能特性。

已經報道的研究成果表明，微米或者納米尺度的三維構筑材料已經表現出很多在力學性能、能量轉換以及光學特性等方面的優勢，然而，這些三維構筑材料有一個很大的短板，那就是塑性形變性能力很差。目前，能夠構筑出的跨越幾個數量級尺度差異的材料的最大尺寸大約為幾百微米，這會導致材料在大尺度下出現嚴重的性能退化。

近日，來自美國弗吉尼亞理工學院的研究人員在Nature Materials上報道了他們的相關研究成果。他們利用高精度大面積的增材制造技術，成功制備出微觀尺度橫跨七個數量級（從納米到厘米）且每個尺度結構特征都不同的三維構筑超材料。在大尺度下，材料的拉伸彈性可以超過20%，這在其他與之成分相同的脆性材料體系中還未被發現。另外，材料的比強度接近一個恒定值。隨著材料的結構整體尺寸接近至幾十厘米，這種具有獨特納米結構的超材料有望在一系列領域獲得應用。

圖1 鎳合金多尺度超材料以及在不同尺度下的結構特征：（a）高分子超材料模板；（b）?多尺度超材料的高精度大面積增材制造示意圖；（c-e）: 較大尺度下超材料結構的光學觀察，具有網格狀結構；（f-j） SEM觀察小尺度下超材料結構在不同微觀尺度的結構特征

圖2 微觀結構混合的多尺度超材料：（a）?用納米尺度鎳磷成分材料制備不同結構類型多尺度超材料的示意圖，在較大尺度下的方塊結構主要是彎曲性的微觀結構，而在較小尺度下的八棱結構主要是延伸性的微觀結構；（b）制備的上述三維結構的微觀SEM照片

圖3 超材料可調控的壓縮行為：（a） 多尺度八棱結構單元的失效圖隨一階二階設計參數的變化關系，紅色線表示在給定相對密度的前提下的最佳強度，每個等高線表示一個相對密度值，b-d位置標在圖中，曲線如下；（b） 在a圖中強度最佳線上面的一種設計參數下的單軸壓縮循環應力應變曲線；（c） 在a圖中強度最佳線下面的一種設計參數下的單軸壓縮循環應力應變曲線；（d） 在a圖中強度最佳線附近的一種設計參數下的單軸壓縮循環應力應變曲線；（e） 多尺度超材料的強度與相對密度的關系曲線，還列出了其他低密度材料的相關數據

圖4 混合結構多尺度超材料的拉伸測試：（a） 結構參數壁厚為700nm時的拉伸曲線以及實驗過程的抓拍圖，表現出低彈性，塑性行為和斷裂行為都和傳統的金屬泡沫材料類似；（b） 結構參數壁厚為150nm時的拉伸曲線以及實驗過程的抓拍圖，表現出過渡態的行為，延性很好，但是發生脆斷；（c） 結構參數壁厚為60nm時的拉伸曲線以及實驗過程的抓拍圖，拉伸應變可接近20%，表現出極高的拉伸延性；（d） 結構參數壁厚為60nm時的循環拉伸應力應變曲線；（e） 混合結構多尺度超材料的極限抗拉強度與拉伸應變的關系，文獻中的低密度金屬材料的數據也置于圖中作為對比

文獻鏈接：Multiscale metallic metamaterials

感謝材料人編輯部提供素材。