供稿人:黃勝；李滌塵 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2019-09-07
英國帝國理工學院的Minh-Son Pham教授團隊根據(jù)晶體冶金學的強化機制，通過仿照晶體材料的微觀尺度結(jié)構(gòu)（晶界，析出和相），利用3D打印技術實現(xiàn)了由節(jié)點和支柱組成的中尺度的網(wǎng)格材料制造；經(jīng)過大量實驗，發(fā)現(xiàn)這種仿晶體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格材料性能優(yōu)越，既堅固又耐損傷。其研究成果近日在Nature雜志上發(fā)表。該研究結(jié)果表明將晶體冶金學的強化機制運用到結(jié)構(gòu)材料的中，可設計出符合性能需求的網(wǎng)格材料，而3D打印技術是實現(xiàn)這種網(wǎng)格結(jié)構(gòu)制造的基礎與保障。
由節(jié)點和支柱的組成的晶格結(jié)構(gòu)材料由于具有高比強度的極低質(zhì)量和實體材料不存在的特殊性能（如負泊松比）而備受矚目，然而，到目前為止，對這種結(jié)構(gòu)材料的研究僅集中于具有單一取向的晶格結(jié)構(gòu)材料（圖1a和d），當加載超過屈服點時，出現(xiàn)局部高應力帶，導致材料機械強度的災難性崩潰（圖1e和f）。這種“后屈服崩潰”類似于與金屬單晶中的位錯滑移相關的應力的快速下降（圖1b）。
首先，基于晶界強化理論，研究團隊通過調(diào)整兩個相鄰宏觀晶格域之間的取向（排列方向），在晶格域之間產(chǎn)生一個類似于晶界（孿晶界）的邊界，設計了仿晶界晶格結(jié)構(gòu)材料（圖2）。其次，基于析出強化理論，研究團隊通過引入具有不同晶格參數(shù)的嵌入晶格域（稱為元沉淀物），設計了仿析出強化的晶格結(jié)構(gòu)材料（圖3）。再次，基于多相強化理論，研究團隊設計了頂層和底層為面向立方，中間層為體心立方的晶格材料。隨后利用3D打印制造出所設計的晶格結(jié)構(gòu)材料，并進行了一系列的實驗，證實各種強化機制（晶界，析出和多相強化）在晶格結(jié)構(gòu)材料中的適應性。最后，綜合考慮上述強化機制，研發(fā)出了跨尺度的耐損傷的輕質(zhì)部件（圖4）。
將晶體冶金學、晶格結(jié)構(gòu)材料和3D打印技術結(jié)合，為開發(fā)強韌的耐損傷晶格結(jié)構(gòu)材料提供了新的方法。
圖1 晶格結(jié)構(gòu)與變形行為
圖2 晶格取向?qū)w和晶格結(jié)構(gòu)材料變形行為的影響
圖3 晶格結(jié)構(gòu)材料中的析出強化和多相強化
圖4 仿晶體微觀結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)、耐損傷晶格結(jié)構(gòu)材料