材料的強度和斷裂韌性是保障構(gòu)件安全服役至關(guān)重要的性能參數(shù)，但二者往往表現(xiàn)為相互制約關(guān)系，并且材料性能的持續(xù)優(yōu)化也壓縮了既有強韌化策略進一步發(fā)揮作用的空間。天然生物材料具有復雜巧妙的組織結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學性能，可為材料強韌化設(shè)計提供重要啟示。然而，在金屬材料體系中設(shè)計構(gòu)筑仿生結(jié)構(gòu)面臨兩方面挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)的制造加工方法（如熔煉、軋制、熱處理等）很難在多級尺度上對金屬材料的組織結(jié)構(gòu)進行有效控制和精細調(diào)節(jié)；金屬仿生材料的結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系尚不清晰，仿生材料結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計缺乏理論依據(jù)，更難以實現(xiàn)按需設(shè)計。
近日，金屬研究所在前期研制高阻尼鎂基仿生材料的基礎(chǔ)上（Sci. Adv. 6 (2020) eaba5581），通過模仿典型天然生物材料的微觀三維互穿結(jié)構(gòu)與空間構(gòu)型，利用“3D打印+熔體浸滲”工藝制備了一系列新型鎂-鈦仿生材料，在金屬體系中成功構(gòu)筑了類似鮑魚殼的“磚-泥”結(jié)構(gòu)、螳螂蝦殼的螺旋編織結(jié)構(gòu)和紫石房蛤殼的交叉疊片結(jié)構(gòu)（如圖1所示），并在經(jīng)典層合理論基礎(chǔ)上建立了能夠定量描述仿生材料結(jié)構(gòu)與力學性能之間關(guān)系的力學模型，實現(xiàn)了其模量與強度的定量預測。研究成果發(fā)表在Nature Communications 13 (2022) 3247。
研究發(fā)現(xiàn)：在鎂-鈦復合材料體系中，仿生結(jié)構(gòu)能夠起到顯著的強韌化作用，與組成相似但不具有仿生結(jié)構(gòu)的復合材料相比，仿生材料的強度與韌性同步提高，其斷裂能提升2-8倍，特別是交叉疊片結(jié)構(gòu)因具有多級結(jié)構(gòu)特征而表現(xiàn)出最佳的強韌化效果；仿生材料中鎂、鈦兩相在三維空間相互貫穿，有利于促進它們之間的應(yīng)力傳遞，并抑制各自相中的變形與損傷演化，減輕應(yīng)變局域化程度，從而延緩仿生材料整體發(fā)生斷裂，提高其拉伸強度與塑性；微觀取向不斷變化的特定空間構(gòu)型能夠誘導裂紋沿仿生結(jié)構(gòu)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，增大裂紋面的面積，并且凹凸不平的裂紋面之間能夠產(chǎn)生摩擦并形成橋連，有助于消耗外加機械能，實現(xiàn)高效增韌；不同類型的仿生結(jié)構(gòu)均可通過提取結(jié)構(gòu)中的最小重復單元，并考察其在三維空間的緊密堆積形式進行定量描述，進而將經(jīng)典層合理論發(fā)展應(yīng)用于仿生結(jié)構(gòu)，能夠建立仿生材料的結(jié)構(gòu)與力學性能之間的定量關(guān)系，從而為預測仿生材料的性能以及優(yōu)化設(shè)計仿生結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)，如圖2所示。
相關(guān)工作由金屬研究所材料使役行為研究部與輕質(zhì)高強材料研究部以及加州大學伯克利分校的研究人員合作完成。博士研究生張明陽為文章第一作者，劉增乾研究員、張哲峰研究員和Robert O. Ritchie教授為共同通訊作者。相關(guān)工作得到了國家重點研發(fā)專項、王寬誠率先人才計劃“盧嘉錫國際團隊”及國家自然科學基金（51871216、52173269）項目資助。
圖1：具有不同仿生結(jié)構(gòu)的鎂-鈦復合材料及其與天然生物材料原型的比較
圖2：具有不同仿生結(jié)構(gòu)的鎂-鈦復合材料中的裂紋擴展形貌、結(jié)構(gòu)模型及其強度和模量與特征角度之間的定量關(guān)系
