麦吉尔大学PNAS助力建筑材料飞跃：同时提高拓扑互锁陶瓷的强度和韧性

【引言】

构筑特定的微观结构，利用材料异质性或混合成分已经被大量证明可以提高现代材料的性能。拓扑互锁材料（TIM）使用摩擦滑动产生大的变形并在其他所有脆性部件中建立韧性。TIM的抗冲击性比单片形式高10倍，但这种改进通常以静态强度为代价。本文报告基于八面体块的TIM设计，其不仅比相同材料的整体板更坚韧（50×），而且更强（1.2×）。由于TIM材料没有强度和韧性上限，具有作为高性能结构材料的巨大潜力。基于本研究工作，本文提出了一个无量纲的“互锁参数”，可以指导未来的研究。在这项工作中，研究者们系统地探索了基于柏拉图形状的建筑面板的设计以及它们的截断版本，以深入了解这些系统的结构-力学-性能关系。

【成果简介】

近日，加拿大麦吉尔大学的Mohammad Mirkhalaf（第一作者）在Francois Barthelat教授的指导下，在国际顶级综合性期刊PNAS上面发表了文章：Simultaneous improvements of strength and toughness in topologically interlocked ceramics。拓扑互锁材料（TIM）是一种新兴的建筑材料，主要基于刚控制的几何形状的刚性构件，可以滑动，旋转或互锁，共同提供丰富的可调机构，精确的结构特性和功能。TIM的抗冲击性通常是其整体形式的10倍，但这种改进通常以牺牲强度为代价。Francois Barthelat教授团队使用3D打印和复制铸造来探索基于柏拉图形状及其截断版本的15种建筑陶瓷面板设计。 本文在准静态和冲击条件下测试了面板，通过立体成像，图像相关和三维重建来监控各个块的位移和旋转。本文报告了一个基于八面体块的设计，它不仅比相同材料的整体板材更坚韧（50×）而且也更强（1.2×）。研究结果表明，TIM的强度和韧性没有上限，它们作为结构和多功能材料具有巨大的潜力。基于本文的实验，Francois Barthelat教授团队提出了一个无量纲的“互锁参数”，可以为研究人员探索未来的架构系统提供指导。

【图文导读】

图1.建筑板的制造步骤。

（A）聚合物结构单元的三维印刷;

（B）将3D打印的块转移到基板上;

（C）浇注硅树脂以制成用作模具的复制品;

（D）从固化的硅氧烷模具中取出3D打印的块;

（E）将硫酸钙（CaSO₄）压铸到硅胶模具中;

（F）将构件组装并用胶带转移到铝框架中。

图2.本研究探索的15个建筑面板设计概述：对于每个组，显示了单个块的几何形状，以及由CaSO₄块制成的7×7面板的组件示意图和图片。

（A）基于方形内侧截面的截顶四面体;

（B）基于六边形内侧部分的截头八面体;

（C）十二面体。

图3.架构面板的机械响应。

（A）实验装置的示意图;

（B）在准静态和冲击条件下测试由八面体块制成的建筑板的力-挠度曲线。具有相同面密度的整体板的响应也显示用于比较。另外两个图显示了在立体成像和3D重建获得的测试过程中块的总滑动面积和平均旋转;

（C）postmortem样品：整块板在灾难性破碎时失败，而在建筑板中，失效局限于中心块;

（D）面板的三维重建，显示在装载期间六个点（A-F）处的块的平均垂直位移。

图4.结构对机械性能的影响。

互锁角对（A）刚度，（B）最大力和（C）能量吸收的影响; 最大力-能量吸收图表和本研究中探讨的所有建筑面板在（D）准静态条件和（E）影响中进行了测试。着色区域的宽度代表实验结果的变化。

图5.基于在互锁期间存储在各个块中的应变能量的单个无量纲互锁参数。

可用于预测（A）最大力和（B）能量吸收。这种方法可以有效地预测其他设计的性能，而无需实验或昂贵的计算模型。 着色区域的宽度代表实验结果的变化。

【小结】

这项研究工作系统地探索了由凸陶瓷块制成的拓扑互锁面板。在冲击力或横向力的作用下，各个块滑动和旋转，提供大的变形和韧性，这导致高度局部化的失效。相比之下，整体板以脆性方式破裂并且通过破碎而发生灾难性破坏。我们已经确定了一种基于八面体嵌段的结构，与单片形式相比，其韧性不仅提高了50倍，而且强度提高了约20％。块之间的界面不能承受拉伸应力，因此会破坏拉伸应力，而拉伸应力是弯曲板失效的常见原因。八面体设计提供了额外的稳定性，因为接触力分布在三个接触表面上，并且因为在这里探索的几何形状中，这种几何形状在互锁强度和摩擦接触应力引起的表面损伤之间提供了最有效的平衡。有许多其他架构需要探索，其中一些架构可以带来更高的性能（凹块，非平面）。然而，对这个大型设计空间的探索是困难的，因为实验是漫长的，并且如果可能的话，数值模型在计算上是昂贵的。为了指导这种探索，本文提出了一个无量纲的互锁参数，本文证明它与面板的性能有很好的相关性。这个参数可以很容易地计算出任何几何形状，这可以大大加快新设计的探索。我们的实验结果的可变性对于整体式和架构式面板来说是相似的。但是，不清楚TIM面板的强度遵循哪种类型的分布，因为我们没有针对每种配置进行足够的实验。构造板的强度在块之间滑动的开始受到技术上的控制，这可能遵循与最弱链接（Weibull）统计不同的统计规律。该领域需要更多的实验和模型。结构化面板的一个重要设计参数是界面处的摩擦系数，可以通过在块的表面上增加粗糙度来精细调整。有趣的是，自然界在使用建筑材料方面领先于工程师。诸如骨头，牙齿或软体动物壳之类的材料也由具有明确尺寸和形状的刚性构件组成，通过可变形生物粘合剂粘合在一起。这些材料的卓越机械性能可能源于其独特的3D架构。此外，天然材料中的构建块不仅通过接触和摩擦进行简单的交互，还通过具有牺牲键，动态交联和粘性行为的复杂聚合物进行交互，这也可以作为界面研究的灵感来源。在合成架构材料中，通过较弱的界面将承载结构分割成较小的元件是一种产生机械性能的反直觉方法，但是生最近对物材料和建筑材料的研究表明，它确实是一种在保持强度的同时克服脆性的有力策略。这些建筑材料和系统的新特性组合可以使它们适用于各种应用，包括保护板和装甲，结构板或高温结构。

文章链接：Simultaneous improvements of strength and toughness in topologically interlocked ceramics. (PNAS, DOI: 10.1073/pnas.1807272115)

本文由材料人编辑部纳米材料学术组 艾超 供稿，材料牛编辑整理。