金属所等研发出高阻尼、高吸能与形状记忆兼得的镁基仿生材料

  除了高比强度、比刚度以及优异的导热与电磁屏蔽等性能,镁的阻尼性能显著优于大多数工程金属材料,甚至可比肩一些常用的高分子材料,但其强度与耐热性明显高于高分子材料,因此在减震、吸能、降噪等方面突显优势。镁及其合金的强度、刚度、塑性和断裂韧性仍低于钢铁和铝合金,且抗高温蠕变能力差,制约了其广泛应用。众所周知,金属材料的强度与阻尼性能表现为相互矛盾的倒置关系,一方面通过对位错运动的限制可实现强度的提高,另一方面阻尼则要求位错易于运动和摆脱钉扎,这导致依赖经典的材料强化手段必然以牺牲阻尼性能为代价。如何在不显著提高密度且不降低阻尼性能的前提下,实现镁和镁合金强韧化成为具有挑战性的关键科学问题。

  与人造材料相比,天然生物材料的宏观力学性能通常显著优于其基本结构单元的简单加和,本源在于其复杂、多尺度的自组装结构。诸如贝壳、骨骼等在微观上呈现三维相互贯穿式结构,各组成相保持连通且相互穿插,由此实现各组成相在性能与功能上的优势互补,以及材料的同步强韧化。对自然界神奇“结构-性能关系”的理解为设计综合性能优异的新材料提供了独到的思路。

  最近,针对航空航天、精密仪器等领域对于材料减震、吸能等方面的性能需求,中国科学院金属研究所材料疲劳与断裂实验室刘增乾、张哲峰,钛合金研究部李述军、杨锐等与美国加州大学伯克利分校、中国工程物理研究院开展合作,借鉴天然生物材料三维互穿微观结构的理念,将镁熔融浸渗至增材制造的镍钛合金骨架,构筑成轻质、高强、高阻尼、高吸能镁-镍钛仿生复合材料(见图1)。 

  微观三维互穿仿生结构不仅实现了镍钛增强相与镁基体在性能优势上的互补与结合,而且赋予材料形状记忆与自修复功能。首先,组成相在三维空间相互穿插有利于促进相互间的应力传递,弱化应力集中,使两相的变形更加协调,更好地发挥了镍钛增强相的强化效果,仿生复合材料的强度显著高于基于混合定律的简单叠加(见图2)。其次,仿生复合材料中基体与增强相之间不仅依靠界面的冶金结合,而且存在三维穿插的机械互锁,有效地避免了因界面开裂造成的过早失效,赋予材料良好的损伤容限。再次,仿生复合材料中组成相在三维空间的贯通,不仅充分保留了镁基体的阻尼性能,而且两相之间的弱界面结合可引入微屈服、微裂纹等新的阻尼机制,进一步提高阻尼性能。此外,在特定温度范围(>150℃),镍钛增强相骨架的形状记忆效应与镁基体的蠕变行为具有耦合效应,镍钛的回复应力远高于基体的蠕变应力,使得形变损伤后的仿生复合材料可通过常规热处理恢复其初始形状和强度,达到形状记忆兼具自修复功能的双重效果,并且可往复循环利用(见图3)。

  通过多重机制分别提高强度和阻尼性能,新型仿生复合材料突破了两者之间的相互制约关系,实现了镁合金的强度、阻尼和能量吸收效率等多种性能的良好结合,综合性能优于目前已知的工程材料(见图4),有望成为精密仪器、航空航天等领域需求的新型阻尼减震材料。 

  上述工作于近日发表在Science Advances 6 (2020) eaba5581,文章第一作者为金属所博士研究生张明阳。相关工作得到国家自然科学基金、“兴辽英才计划”和中科院前沿科学重点研究计划等的资助。

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图1:新型镁-镍钛仿生复合材料的制备工艺及其微观三维互穿仿生结构

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图2:新型镁-镍钛仿生复合材料的压缩力学性能和阻尼性能及其与各组成相的比较

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图3:新型镁-镍钛仿生复合材料在不同应变条件下的形状记忆功能与微观回复机制

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图4:新型镁-镍钛仿生复合材料的强度、阻尼性能和能量吸收效率与其他材料的比较