普渡大學(xué)制造出力學(xué)性能突出的空心納米復(fù)合超材料

復(fù)合空心格柵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與微觀結(jié)構(gòu)（a）復(fù)合空心晶格的多尺度設(shè)計(jì)圖解；（b）來自復(fù)合空心晶格傾斜視圖的SEM圖像；（c）復(fù)合空心晶格的放大SEM圖像，碳化聚多巴胺（C PDA）拉曼圖的G峰；（d）復(fù)合空心晶格的空心支柱管壁TEM圖像，顯示氧化鋁納米層的厚度為15nm和C-PDA納米層的厚度為8納米。



彎曲為主的空心晶格的變形和破壞機(jī)制。（a）晶格節(jié)點(diǎn)處的單軸壓縮試驗(yàn)所引起的變形可分為：梁拉伸、梁彎曲和節(jié)點(diǎn)彎曲。（b）空心復(fù)合晶格單軸壓縮的有限元建模（FEM）表明應(yīng)力集中在晶格的節(jié)點(diǎn)上。（c）來自不同格點(diǎn)的凸起空心節(jié)點(diǎn)。有限元可視化是在2.61%的應(yīng)變下進(jìn)行的。在有限元結(jié)果的基礎(chǔ)上，對不同格點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)觀測。在33%的壓縮應(yīng)變下拍攝SEM圖像。（d）比較了不同格柵中豎直支柱的破壞情況。陶瓷晶格的支柱在中間表現(xiàn)出屈曲和扭結(jié)，當(dāng)復(fù)合材料格柵的支柱僅在一個裂縫處傾斜時，破壞在支柱與水平連接點(diǎn)處開始。

理想材料不僅需要像機(jī)械一樣堅(jiān)固可靠，而且還要輕質(zhì)。大自然很容易做到這一點(diǎn)，如磚和砂漿，結(jié)合軟，輕材料進(jìn)行周期性組合，產(chǎn)生具有優(yōu)良強(qiáng)度、剛度和韌性的復(fù)合材料。然而，用實(shí)驗(yàn)室中的材料來模擬大自然的智慧，這一點(diǎn)被證明是非常棘手的。

現(xiàn)在，由普渡大學(xué)Gary J. Cheng領(lǐng)導(dǎo)的美國和中國研究人員團(tuán)隊(duì)已經(jīng)提出了一種克服“混合物規(guī)則”的策略，創(chuàng)建超輕、機(jī)械可靠的復(fù)合材料[Deng et al., Materials Today (2018), https://doi.org/10.1016/j.mattod.2018.03.027]。

陶瓷材料輕質(zhì)而堅(jiān)固，但本質(zhì)上很脆。然而，3D打印的出現(xiàn)使得制造內(nèi)部具有復(fù)雜微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料能夠彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)。中空3D結(jié)構(gòu) 為“機(jī)械超材料”帶來了希望，這種結(jié)構(gòu)大大減輕了重量，提高了剛度和強(qiáng)度。迄今為止，這種機(jī)械超材料分為兩類，由可伸展晶格（S晶格）和彎曲晶格（B晶格）支配的桁架結(jié)構(gòu)。S-晶格中的支柱不能旋轉(zhuǎn)或彎曲，因此這些結(jié)構(gòu)具有高的剛度，但他們在壓縮下屈曲。相比之下，B-晶格具有更靈活的抗沖擊應(yīng)變，因?yàn)樗麄兊闹е梢孕D(zhuǎn)和彎曲。

相反，Cheng和他的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一種彎曲主導(dǎo)的空心納米材料（B-H晶格），具有優(yōu)異的強(qiáng)度、可恢復(fù)性和循環(huán)性，他們涂覆碳化聚合物納米層以減少變形過程中的彎曲。

“我們發(fā)現(xiàn)，陶瓷納米線的機(jī)械性能可以通過納米陶瓷/碳納米晶格顯著改善，使它們具有更好的剛度、循環(huán)性和剛性/強(qiáng)度重量比，”他解釋道。

B-H晶格是由相互連接的垂直支柱支撐的蝶形單元構(gòu)成的。使用UV固化樹脂模板形成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，這種模板用光刻法制造。氧化鋁與外部的納米層碳化聚多巴胺在模板上沉積。最后，除去模板，留下一種表現(xiàn)出高剛度、低密度、在沒有應(yīng)變（不超過55%）的情況下不彎曲的超材料，并且在循環(huán)加載（15%應(yīng)變）下是穩(wěn)定的。

“我們的材料的新穎之處在于它的非屈曲行為，這是第一次實(shí)現(xiàn)這種恢復(fù)機(jī)制” Cheng說。

新型超材料可以通過彎曲來適應(yīng)較大的應(yīng)變，同時抑制變形過程中的屈曲。他說，與天然材料相比，超材料的性能是突出的。

現(xiàn)在，這個團(tuán)隊(duì)想展示這種超材料的大規(guī)模生產(chǎn)。

Cheng說：“在未來10年，我們的研究將有助于像陶瓷基多功能結(jié)構(gòu)、機(jī)械穩(wěn)定儲能設(shè)備、輕質(zhì)高強(qiáng)度材料和能量耗散結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。”

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