除了高比強(qiáng)度、比剛度以及優(yōu)異的導(dǎo)熱與電磁屏蔽等性能，鎂的阻尼性能顯著優(yōu)于大多數(shù)工程金屬材料，甚至可比肩一些常用的高分子材料，但其強(qiáng)度與耐熱性明顯高于高分子材料，因此在減震、吸能、降噪等方面突顯優(yōu)勢。鎂及其合金的強(qiáng)度、剛度、塑性和斷裂韌性仍低于鋼鐵和鋁合金，且抗高溫蠕變能力差，制約了其廣泛應(yīng)用。眾所周知，金屬材料的強(qiáng)度與阻尼性能表現(xiàn)為相互矛盾的倒置關(guān)系，一方面通過對位錯運(yùn)動的限制可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度的提高，另一方面阻尼則要求位錯易于運(yùn)動和擺脫釘扎，這導(dǎo)致依賴經(jīng)典的材料強(qiáng)化手段必然以犧牲阻尼性能為代價。如何在不顯著提高密度且不降低阻尼性能的前提下，實(shí)現(xiàn)鎂和鎂合金強(qiáng)韌化成為具有挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵科學(xué)問題。
與人造材料相比，天然生物材料的宏觀力學(xué)性能通常顯著優(yōu)于其基本結(jié)構(gòu)單元的簡單加和，本源在于其復(fù)雜、多尺度的自組裝結(jié)構(gòu)。諸如貝殼、骨骼等在微觀上呈現(xiàn)三維相互貫穿式結(jié)構(gòu)，各組成相保持連通且相互穿插，由此實(shí)現(xiàn)各組成相在性能與功能上的優(yōu)勢互補(bǔ)，以及材料的同步強(qiáng)韌化。對自然界神奇“結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系”的理解為設(shè)計綜合性能優(yōu)異的新材料提供了獨(dú)到的思路。
最近，針對航空航天、精密儀器等領(lǐng)域?qū)τ诓牧蠝p震、吸能等方面的性能需求，中國科學(xué)院金屬研究所材料疲勞與斷裂實(shí)驗(yàn)室劉增乾、張哲峰，鈦合金研究部李述軍、楊銳等與美國加州大學(xué)伯克利分校、中國工程物理研究院開展合作，借鑒天然生物材料三維互穿微觀結(jié)構(gòu)的理念，將鎂熔融浸滲至增材制造的鎳鈦合金骨架，構(gòu)筑成輕質(zhì)、高強(qiáng)、高阻尼、高吸能鎂-鎳鈦仿生復(fù)合材料（見圖1）。
微觀三維互穿仿生結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了鎳鈦增強(qiáng)相與鎂基體在性能優(yōu)勢上的互補(bǔ)與結(jié)合，而且賦予材料形狀記憶與自修復(fù)功能。首先，組成相在三維空間相互穿插有利于促進(jìn)相互間的應(yīng)力傳遞，弱化應(yīng)力集中，使兩相的變形更加協(xié)調(diào)，更好地發(fā)揮了鎳鈦增強(qiáng)相的強(qiáng)化效果，仿生復(fù)合材料的強(qiáng)度顯著高于基于混合定律的簡單疊加（見圖2）。其次，仿生復(fù)合材料中基體與增強(qiáng)相之間不僅依靠界面的冶金結(jié)合，而且存在三維穿插的機(jī)械互鎖，有效地避免了因界面開裂造成的過早失效，賦予材料良好的損傷容限。再次，仿生復(fù)合材料中組成相在三維空間的貫通，不僅充分保留了鎂基體的阻尼性能，而且兩相之間的弱界面結(jié)合可引入微屈服、微裂紋等新的阻尼機(jī)制，進(jìn)一步提高阻尼性能。此外，在特定溫度范圍（>150 ），鎳鈦增強(qiáng)相骨架的形狀記憶效應(yīng)與鎂基體的蠕變行為具有耦合效應(yīng)，鎳鈦的回復(fù)應(yīng)力遠(yuǎn)高于基體的蠕變應(yīng)力，使得形變損傷后的仿生復(fù)合材料可通過常規(guī)熱處理恢復(fù)其初始形狀和強(qiáng)度，達(dá)到形狀記憶兼具自修復(fù)功能的雙重效果，并且可往復(fù)循環(huán)利用（見圖3）。
通過多重機(jī)制分別提高強(qiáng)度和阻尼性能，新型仿生復(fù)合材料突破了兩者之間的相互制約關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了鎂合金的強(qiáng)度、阻尼和能量吸收效率等多種性能的良好結(jié)合，綜合性能優(yōu)于目前已知的工程材料（見圖4），有望成為精密儀器、航空航天等領(lǐng)域需求的新型阻尼減震材料。
上述工作于近日發(fā)表在《Science Advances》6 (2020) eaba5581，文章第一作者為中國科學(xué)院金屬研究所博士研究生張明陽。相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金、“興遼英才計劃”和中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計劃等項(xiàng)目的資助。
圖1：新型鎂-鎳鈦仿生復(fù)合材料的制備工藝及其微觀三維互穿仿生結(jié)構(gòu)
圖2：新型鎂-鎳鈦仿生復(fù)合材料的壓縮力學(xué)性能和阻尼性能及其與各組成相的比較
圖3：新型鎂-鎳鈦仿生復(fù)合材料在不同應(yīng)變條件下的形狀記憶功能與微觀回復(fù)機(jī)制
圖4：新型鎂-鎳鈦仿生復(fù)合材料的強(qiáng)度、阻尼性能和能量吸收效率與其他材料的比較
