作者:钟豪章等 来源:《今日材料》 发布时间:2023/8/7 15:41:05
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科学家成功设计和制备出轻质高强金属力学超材料

 

2023年8月4日,上海交通大学材料科学与工程学院的顾剑锋教授团队联合澳大利亚皇家墨尔本理工大学(RMIT)增材制造中心的马前杰出教授团队,共同在Materials Today期刊上发表了题为“Low-density, high-strength metal mechanical metamaterials beyond the Gibson-Ashby model”的最新研究成果。

研究组成功打印出密度为1.63 g/cm3的钛合金(Ti-6Al-4V)力学超材料,其屈服强度和最大压缩强度分别达到308 MPa和417 MPa。

论文通讯作者是顾剑锋教授(上海交通大学)和马前杰出教授(RMIT),第一作者是钟豪章博士(交大、RMIT),Raj Das教授(RMIT)参与了数值模拟部分的工作。

金属力学超材料(metal metamaterials)是由特定结构单元在三维空间按一定规律排列而构成的多孔金属材料,通常也称为金属点阵材料(metal lattice materials),具有致密材料或常规多孔材料所不具备的力学超常特性,如负泊松比、高弹性、低密度和高强度等。经典的Gibson-Ashby多孔材料力学性能预测模型对包括金属力学超材料在内的各类多孔材料的设计与发展起到了至关重要的指导作用,但该模型只考虑单一变形机制(拉伸或弯曲),因而其应用范围从变形原理上仅限于高孔隙率(例如>85%)多孔材料或超材料(对应着很低的强度和刚度),不适于指导孔隙率适中的高强度金属力学超材料的设计。这一缺憾也一直是制约轻质高强金属力学超材料设计与发展的理论瓶颈。

研究团队从杆状金属力学超材料的变形机理出发,建立了多变性机制(拉伸、弯曲和剪切)共同作用条件下的力学模型。该模型能有效地预测不同孔隙率的金属力学超材料的强度和弹性模量,同时也适用于去合金纳米多孔材料、微纳尺度的金属多孔材料和人体骨骼的天然多孔材料。此外,该模型可以指导实施对各变形机制的调控。因此,可谓是对Gibson-Ashby经典模型从基本原理到应用范围的一个全方位拓展。

更为重要的是,该模型从变形原理上拓展出一个设计轻质高强金属力学超材料的新概念,即在保持孔隙率或密度不变的前提下,获得杆状金属力学超材料最大强度与刚度的“秘诀”是将其构成杆材料的长径比(l/d)降低到能够打印的最小尺度(l/d=1.5)。这个以构成杆长径比(l/d)最小化为核心的设计思想(密度或孔隙率不变)可以通过采用中空杆、分级杆以及描述骨生物力学的Wolff定律来实现。

研究团队以上述理论创新为基础,成功打印出密度为1.63 g/cm3的钛合金(Ti-6Al-4V)力学超材料,其屈服强度和最大压缩强度分别达到308 MPa和417 MPa,远高于同孔隙率或密度条件下文献的各类金属多孔材料或超材料的性能。比商用镁合金WE54和AZ91更轻、更强,同时更耐蚀。有望在航空航天、生物医学、化学工程、空间和能源技术等领域获得应用。

图1:杆状超材料库。

图2:传统Gibson-Ashby模型(红色曲线)和拓展Gibson-Ashby模型对各种3D打印超材料力学性能的适用性比较。

图3:3D打印金属超材料的长径比分布。

图4:长径比(l/d)对金属超材料变形机制的影响。

图5:长径比(l/d)对金属超材料强度的影响。

图6:基于中空杆和分级杆的长径比(l/d)调控和超材料强化策略。

图7:基于人体骨骼Wolff定律的长径比(l/d)调控和超材料强化策略。

该工作的理论创新以及对不同设计方案的实验验证为后续设计开发各类轻质高强金属力学超材料提供了一个新的理论工具。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.07.018

 
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