Nat. Mater. 美国研究人员构筑出多尺度金属超材料

近年来，“构筑材料”的概念越来越得到材料界科研人员的广泛关注，简单来说就是通过先进的制造技术（比如火了很久的3D打印增材制造技术）来人为地调控材料的微观组织，控制它的分布以及状态，从而达到所需要的结构性能或者功能特性。

已经报道的研究成果表明，微米或者纳米尺度的三维构筑材料已经表现出很多在力学性能、能量转换以及光学特性等方面的优势，然而，这些三维构筑材料有一个很大的短板，那就是塑性形变性能力很差。目前，能够构筑出的跨越几个数量级尺度差异的材料的最大尺寸大约为几百微米，这会导致材料在大尺度下出现严重的性能退化。

近日，来自美国弗吉尼亚理工学院的研究人员在Nature Materials上报道了他们的相关研究成果。他们利用高精度大面积的增材制造技术，成功制备出微观尺度横跨七个数量级（从纳米到厘米）且每个尺度结构特征都不同的三维构筑超材料。在大尺度下，材料的拉伸弹性可以超过20%，这在其他与之成分相同的脆性材料体系中还未被发现。另外，材料的比强度接近一个恒定值。随着材料的结构整体尺寸接近至几十厘米，这种具有独特纳米结构的超材料有望在一系列领域获得应用。

图1 镍合金多尺度超材料以及在不同尺度下的结构特征：（a）高分子超材料模板；（b） 多尺度超材料的高精度大面积增材制造示意图；（c-e）: 较大尺度下超材料结构的光学观察，具有网格状结构；（f-j） SEM观察小尺度下超材料结构在不同微观尺度的结构特征

图2 微观结构混合的多尺度超材料：（a） 用纳米尺度镍磷成分材料制备不同结构类型多尺度超材料的示意图，在较大尺度下的方块结构主要是弯曲性的微观结构，而在较小尺度下的八棱结构主要是延伸性的微观结构；（b）制备的上述三维结构的微观SEM照片

图3 超材料可调控的压缩行为：（a） 多尺度八棱结构单元的失效图随一阶二阶设计参数的变化关系，红色线表示在给定相对密度的前提下的最佳强度，每个等高线表示一个相对密度值，b-d位置标在图中，曲线如下；（b） 在a图中强度最佳线上面的一种设计参数下的单轴压缩循环应力应变曲线；（c） 在a图中强度最佳线下面的一种设计参数下的单轴压缩循环应力应变曲线；（d） 在a图中强度最佳线附近的一种设计参数下的单轴压缩循环应力应变曲线；（e） 多尺度超材料的强度与相对密度的关系曲线，还列出了其他低密度材料的相关数据

图4 混合结构多尺度超材料的拉伸测试：（a） 结构参数壁厚为700nm时的拉伸曲线以及实验过程的抓拍图，表现出低弹性，塑性行为和断裂行为都和传统的金属泡沫材料类似；（b） 结构参数壁厚为150nm时的拉伸曲线以及实验过程的抓拍图，表现出过渡态的行为，延性很好，但是发生脆断；（c） 结构参数壁厚为60nm时的拉伸曲线以及实验过程的抓拍图，拉伸应变可接近20%，表现出极高的拉伸延性；（d） 结构参数壁厚为60nm时的循环拉伸应力应变曲线；（e） 混合结构多尺度超材料的极限抗拉强度与拉伸应变的关系，文献中的低密度金属材料的数据也置于图中作为对比

文献链接：Multiscale metallic metamaterials

感谢材料人编辑部提供素材。