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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 | 文章来源:师昌绪先进材料创新中心        【 】【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。衆所周知,金屬材料的強度與阻尼性能表現爲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紮,這導致依賴經典的材料強化手段必然以犧牲阻尼性能爲代價。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爲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,本源在于其複雜、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”的理解爲設計綜合性能優異的新材料提供了獨到的思路。 

  最近,针对航空航天、精密仪器等领域对于材料减震、吸能等方面的性能需求,中國科學院金属研究所材料疲劳与断裂实验室刘增乾、张哲峰,钛合金研究部李述军、杨锐等与美国加州大学伯克利分校、中国工程物理研究院开展合作,借鉴天然生物材料三维互穿微观结构的理念,将镁熔融浸渗至增材制造的镍钛合金骨架,构筑成轻质、高强、高阻尼、高吸能镁-鎳钛仿生複合材料(見圖1)。 

  微觀三維互穿仿生結構不僅實現了鎳钛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複功能。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,更好地發揮了鎳钛增強相的強化效果,仿生複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,仿生複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,仿生複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,在特定溫度範圍(>150℃),鎳钛增強相骨架的形狀記憶效應與鎂基體的蠕變行爲具有耦合效應,鎳钛的回複應力遠高于基體的蠕變應力,使得形變損傷後的仿生複合材料可通過常規熱處理恢複其初始形狀和強度,達到形狀記憶兼具自修複功能的雙重效果,並且可往複循環利用(見圖3)。  

  通過多重機制分別提高強度和阻尼性能,新型仿生複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),有望成爲精密儀器、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,文章第一作者为中國科學院金属研究所博士研究生张明阳。相关工作得到了国家自然科学基金、“兴辽英才计划”和中國科學院前沿科学重点研究计划等项目的資助。  

  文章鏈接

圖1:新型鎂-鎳钛仿生複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-鎳钛仿生複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-鎳钛仿生複合材料在不同應變條件下的形狀記憶功能與微觀回複機制

圖4:新型鎂-鎳钛仿生複合材料的強度、阻尼性能和能量吸收效率與其他材料的比較

 

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