3D打印實(shí)現(xiàn)仿晶體微觀結(jié)構(gòu)的耐損傷晶格結(jié)構(gòu)材料的制造

供稿人:黃勝；李滌塵

英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的Minh-Son Pham教授團(tuán)隊(duì)根據(jù)晶體冶金學(xué)的強(qiáng)化機(jī)制，通過(guò)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(shù)實(shí)現(xiàn)了由節(jié)點(diǎn)和支柱組成的中尺度的網(wǎng)格材料制造；經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，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(jiān)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(xué)的強(qiáng)化機(jī)制運(yùn)用到結(jié)構(gòu)材料的中，可設(shè)計(jì)出符合性能需求的網(wǎng)格材料，而3D打印技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這種網(wǎng)格結(jié)構(gòu)制造的基礎(chǔ)與保障。

由節(jié)點(diǎn)和支柱的組成的晶格結(jié)構(gòu)材料由于具有高比強(qiáng)度的極低質(zhì)量和實(shí)體材料不存在的特殊性能（如負(fù)泊松比）而備受矚目，然而，到目前為止，對(duì)這種結(jié)構(gòu)材料的研究?jī)H集中于具有單一取向的晶格結(jié)構(gòu)材料（圖1a和d），當(dāng)加載超過(guò)屈服點(diǎn)時(shí)，出現(xiàn)局部高應(yīng)力帶，導(dǎo)致材料機(jī)械強(qiáng)度的災(zāi)難性崩潰（圖1e和f）。這種“后屈服崩潰”類(lèi)似于與金屬單晶中的位錯(cuò)滑移相關(guān)的應(yīng)力的快速下降（圖1b）。

首先，基于晶界強(qiáng)化理論，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)調(diào)整兩個(gè)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(gè)類(lèi)似于晶界（孿晶界）的邊界，設(shè)計(jì)了仿晶界晶格結(jié)構(gòu)材料（圖2）。其次，基于析出強(qiáng)化理論，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入具有不同晶格參數(shù)的嵌入晶格域（稱(chēng)為元沉淀物），設(shè)計(jì)了仿析出強(qiáng)化的晶格結(jié)構(gòu)材料（圖3）。再次，基于多相強(qiáng)化理論，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的晶格結(jié)構(gòu)材料，并進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)各種強(qiáng)化機(jī)制（晶界，析出和多相強(qiáng)化）在晶格結(jié)構(gòu)材料中的適應(yīng)性。最后，綜合考慮上述強(qiáng)化機(jī)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(xué)、晶格結(jié)構(gòu)材料和3D打印技術(shù)結(jié)合，為開(kāi)發(fā)強(qiáng)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)�晶體和晶格結(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(qiáng)化和多相強(qiáng)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

參考文獻(xiàn)：
Pham M S, Liu C, Todd I, et al. Damage-tolerant architected materials inspired by crystal microstructure [J]. Nature, 2019, 565 (7739): 305.

供稿人:黃勝；李滌塵 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室