3D打印實現(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

英國帝國理工學(xué)院的Minh-Son Pham教授團隊根據(jù)晶體冶金學(xué)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(shù)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(xué)的強化機制運用到結(jié)構(gòu)材料的中，可設(shè)計出符合性能需求的網(wǎng)格材料，而3D打印技術(shù)是實現(xiàn)這種網(wǎng)格結(jié)構(gòu)制造的基礎(chǔ)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(yīng)力帶，導(dǎo)致材料機械強度的災(zāi)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(guān)的應(yīng)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(yīng)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(xué)、晶格結(jié)構(gòu)材料和3D打印技術(shù)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

參考文獻：
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：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室