隨著全球?qū)p量化、高性能結(jié)構(gòu)材料需求的不斷攀升，從新能源汽車到可重復(fù)使用火箭，從航空起落架到下一代生物醫(yī)用植入物，各行業(yè)都在迫切尋求兼具低密度、高強(qiáng)度與高可靠性的材料解決方案。過去的輕量化策略主要依賴于簡(jiǎn)單的材料替代——例如用高比強(qiáng)度的纖維增強(qiáng)材料或鋁合金取代鋼材。然而，隨著應(yīng)用環(huán)境變得更加嚴(yán)苛，這種思路逐漸顯現(xiàn)出局限性。

“結(jié)構(gòu)創(chuàng)新”已成為新的研究方向：點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、多孔金屬和力學(xué)超材料等新型材料體系不斷涌現(xiàn)，通過引入精心設(shè)計(jì)的幾何架構(gòu)，在降低材料用量的同時(shí)顯著提高力學(xué)效率。但挑戰(zhàn)也隨之而來。盡管這類結(jié)構(gòu)化材料在理論上可以達(dá)到極優(yōu)的性能組合，它們?cè)谑軌簵l件下常出現(xiàn)局部失穩(wěn)，例如薄壁單元的屈曲、節(jié)點(diǎn)的早期斷裂等。這些失效往往源于局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致材料在實(shí)際應(yīng)用中難以承受高壓縮載荷，限制了其在航空航天著陸裝置、骨科植入物、裝甲防護(hù)結(jié)構(gòu)等壓縮主導(dǎo)場(chǎng)景中的推廣。因此，科研界亟需一種能夠同時(shí)優(yōu)化“材料本身”和“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”的新范式，突破壓縮強(qiáng)度瓶頸并提升整體穩(wěn)定性。

在這一背景下，多倫多大學(xué)材料科學(xué)與工程系極端力學(xué)與增材制造鄒宇教授課題組近日成功研發(fā)出一種擁有自圍壓結(jié)構(gòu)（Self-Confining-Pressure Structure, SCPS）的全新仿生金屬材料，通過精巧的“筒中筒”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使材料在壓縮過程中能產(chǎn)生主動(dòng)的側(cè)向約束壓力。這種獨(dú)特的力學(xué)機(jī)制不僅有效抑制薄壁構(gòu)件的局部屈曲，還能誘導(dǎo)大量位錯(cuò)增殖，從而顯著提升材料的承載能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該 SCPS 金屬在不降低拉伸性能的前提下，將壓縮強(qiáng)度提升至 1272 MPa，達(dá)到現(xiàn)有輕質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)材料的兩倍，突破了長(zhǎng)期困擾工程界的壓縮方向性能天花板。更重要的是，這種材料仍保持良好的延展性，避免了許多高強(qiáng)金屬材料因脆性增加而無法應(yīng)用的難題。相關(guān)研究成果近期在Materials Today《今日材料》發(fā)表。

研究團(tuán)隊(duì)還建立了相應(yīng)的力學(xué)模型，定量描述 SCPS 架構(gòu)所帶來的強(qiáng)化效果，為未來的結(jié)構(gòu)—材料協(xié)同設(shè)計(jì)提供理論工具。這種“由結(jié)構(gòu)賦能材料”的設(shè)計(jì)路線，使材料可根據(jù)實(shí)際工況獲得可控的各向異性力學(xué)特性，為極端環(huán)境中的工程材料開辟了全新方向。憑借強(qiáng)度高、重量輕、穩(wěn)定性強(qiáng)、可通過增材制造制備等優(yōu)勢(shì)，這項(xiàng)成果在航空航天、生物醫(yī)用植入物、防護(hù)裝備、新能源交通工具等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，有望推動(dòng)下一代高端裝備的材料革新。

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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702125005218

圖1. SCPS力學(xué)超材料的設(shè)計(jì)與表征。(A) 仿生“筒中筒”Al–Ti超材料示意圖。(B) SCPS Al–Ti超材料與典型輕質(zhì)金屬材料的比壓縮屈服強(qiáng)度對(duì)比。(C) 通過增材制造與微鑄造技術(shù)制備的塊體AlSi7Mg–Ti6Al4V“筒中筒”結(jié)構(gòu)。(D) AlSi7Mg–Ti6Al4V 界面處原位形成的連續(xù) Al?Ti 金屬間化合物層的顯微組織，該界面結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了載荷傳遞并促進(jìn)自圍壓效應(yīng)的產(chǎn)生。(E) 退火處理后在 AlSi7Mg 基體中析出的硅化物納米顆粒。

圖2. SCPS Al–Ti 力學(xué)超材料的力學(xué)性能。(A) SCPS 復(fù)合材料在拉伸與壓縮條件下的典型應(yīng)力–應(yīng)變曲線，并與其組成材料 Ti6Al4V 合金和 AlSi7Mg 合金的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比。(B) 連續(xù)增強(qiáng)型 Al–Ti 超材料在有/無 SCPS 結(jié)構(gòu)時(shí)的典型壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線對(duì)比，顯示 SCPS 對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和承載能力的顯著提升作用。(C) Al–Ti 超材料的屈服強(qiáng)度–密度關(guān)系圖，并與傳統(tǒng)顆粒增強(qiáng)或晶須增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料進(jìn)行比較。(D) SCPS Al–Ti 超材料在比屈服強(qiáng)度上的拉壓性能不對(duì)稱性。

圖 3. SCPS Al-Ti 超材料的變形與斷裂機(jī)制。(A 和 B) SCPS 樣品在拉伸(A) 和壓縮 (B) 加載后的典型宏觀斷裂形貌。(C) 壓縮條件下 AlSi7Mg 晶界附近的位錯(cuò)情況。(D) 晶粒內(nèi)兩類不同納米析出相與位錯(cuò)的相互作用及對(duì)應(yīng)的能譜 (EDS) 元素分布圖。(E) SCPS 復(fù)合材料的斷裂準(zhǔn)則。(F) 在彈性區(qū)內(nèi)，通過數(shù)字圖像相關(guān)方法（DIC）測(cè)得軸向壓縮下橫向法向應(yīng)變與縱向法向應(yīng)變的對(duì)應(yīng)關(guān)系。(G) 有限元法 (FEM) 模擬結(jié)果，顯示 SCPS 復(fù)合材料在軸向應(yīng)變 2% 下的圍壓分布。(H 和 I) 分子動(dòng)力學(xué) (MD) 模擬結(jié)果：(H) 拉伸與壓縮條件下復(fù)合材料的彈性應(yīng)變梯度比較；(I) 全局壓縮應(yīng)變 6.6% 后，AlSi7Mg 晶界處的位錯(cuò)發(fā)射情況。

圖 4. 分子動(dòng)力學(xué) (MD) 模擬揭示的晶界 (GB) 或晶粒內(nèi)圍壓誘導(dǎo)強(qiáng)化的原子尺度機(jī)制。(A) 拉伸和壓縮載荷下位錯(cuò)密度的演化。(B) 在不同應(yīng)力下，廣義堆垛層錯(cuò)能 (GSFE) 隨滑移位的變化。(C) Al晶界處圍壓誘導(dǎo)位錯(cuò)增殖示意圖。(D) 堆垛層錯(cuò)形成過程中在原子Z方向位移的演化。(E) 在各種外載條件下原子的晶格偏移情況。

圖 5. Al-Ti 超材料衍生設(shè)計(jì)。(A)用于輕質(zhì)復(fù)合材料設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)構(gòu)筑靈感。(B) 具有典型建筑結(jié)構(gòu)特征的 Al–Ti 超材料，通過增材/減材制造結(jié)合微鑄造方法制備。(C) SCPS 結(jié)構(gòu)突破了 Al–Ti 超材料中混合規(guī)則（ROM）預(yù)測(cè)的強(qiáng)度限制。(D) 屈服強(qiáng)度與密度的 Ashby 圖，將本研究的 Al–Ti 超材料與文獻(xiàn)報(bào)道的金屬點(diǎn)整和互穿相復(fù)合材料（IPC）進(jìn)行比較。

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝作者團(tuán)隊(duì)支持。

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