【引言】

工程復(fù)合材料一般通過結(jié)合不同的材料實現(xiàn)單組元不具有的性能，或者通過優(yōu)化微觀組織獲得優(yōu)異機(jī)械性能。然而復(fù)合材料的設(shè)計并非沒有限制，成分組成、混合形式在復(fù)合材料設(shè)計中起關(guān)鍵作用，并且給予性能不可逾越的極限，例如剛度屬性取決于相位分布。近日有學(xué)者對超材料進(jìn)行了研究，超材料在準(zhǔn)靜態(tài)條件下展示了一種剛度低于2GPa的完全致密的金屬。

【成果簡介】

近日，普渡大學(xué)Alejandro Strachan（通訊作者）在Nat.Commun上發(fā)布了一篇關(guān)于超低剛度金屬的文章，題為“Harnessing mechanical instabilities at the nanoscale to achieve ultra-low stiffness metals”。研究人員利用與兼容、穩(wěn)定的第二組分的相干整合，使馬氏體合金的力學(xué)不穩(wěn)定性和低剛度狀態(tài)穩(wěn)定化，進(jìn)而設(shè)計完全致密的超低剛度納米結(jié)構(gòu)金屬，模量低至2GPa，比任一成分的模量都低，與以往的復(fù)合材料不同。

【圖片導(dǎo)讀】

圖1:點陣參數(shù)對馬氏體轉(zhuǎn)變自由能的影響

插圖為NiAl和Ni₆₃Al₃₇之間的外延界面的示意圖，其中Al原子是淺藍(lán)色，NiAl中的Ni是深藍(lán)色，Ni₆₃Al₃₇中的Ni是紅色的。

圖2：金屬納米線的應(yīng)力 - 應(yīng)變響應(yīng)

(a) T-Core納米線各階段、各部分的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線；

(b) T-Shell納米線各階段、各部分的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線。

T-Core ：Core(Ni₆₃Al₃₇)/Shell(NiAl)

T-Shell：Core(NiAl)/Shell(Ni₆₃Al₃₇)

圖3：彈性和非彈性變形過程的原子結(jié)構(gòu)

(a) Ni₆₃Al₃₇納米線在一個新的定向形核處發(fā)生單軸應(yīng)變；

(b) 70％的T-Shell納米線改變局部晶格參數(shù)發(fā)生的應(yīng)變。

圖4：純納米線與超材料納米線的結(jié)構(gòu)分析

(a) 在20％單軸應(yīng)變Ni₆₃Al₃₇納米線的結(jié)構(gòu)；

(b) RDF達(dá)到5％應(yīng)變對的結(jié)構(gòu)；

(c) 70％T-Shell超材料納米線結(jié)構(gòu)；

(d) RDF位于單個相之間的超材料結(jié)構(gòu)。

圖5：納米異質(zhì)外延超材料的低剛度

(a) Ni₆₃Al₃₇原子的納米線拉伸強度曲線；

(b) 納米線的彈性模量-拉伸強度的對比。

【小結(jié)】

這篇文章揭示了在納米尺度內(nèi)力學(xué)不穩(wěn)定性對超低剛度材料性能的影響。通過材料在相變過程中經(jīng)歷的力學(xué)不穩(wěn)定性和對超材料的分子動力學(xué)模擬的手段，在準(zhǔn)靜態(tài)條件下得到了剛度低于2GPa的超金屬。研究結(jié)果表明，在準(zhǔn)靜態(tài)條件下，超材料通過一系列的手段得到了完全致密、全面強度納米級的超低剛度。

文獻(xiàn)鏈接：Harnessing mechanical instabilities at the nanoscale to achieve ultra-low stiffness metals（Nat.Commun, 2017，DOI:10.1038/s41467-017-01260-6）

本文轉(zhuǎn)自材料牛