韌性的案例
認(rèn)識(shí)材料的韌性！
與韌性材料相比，它們對(duì)抵抗沖擊荷載和承受震動(dòng)作用是相當(dāng)不利的。作為工程塑料，我們希望它同時(shí)具有良好的韌性和剛性。在改善材料的韌性時(shí)，還應(yīng)設(shè)法提高剛性。一般加入彈性體可增加韌性，加入無(wú)機(jī)填料可增加剛性。最有效的方法是將彈性體的增韌和填料的增強(qiáng)結(jié)合起來(lái)。
韌性分類
斷裂韌性
斷裂韌性材料阻止宏觀裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的度量，也是材料抵抗脆性破壞的韌性參數(shù)。它和裂紋本身的大小、形狀及外加應(yīng)力大小無(wú)關(guān)。是材料固有的特性，只與材料本身、熱處理及加工工藝有關(guān)。是應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值。常用斷裂前物體吸收的能量或外界對(duì)物體所作的功表示。例如應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積。韌性材料因具有大的斷裂伸長(zhǎng)值，所以有較大的斷裂韌性，而脆性材料一般斷裂韌性較小。
沖擊韌性
沖擊韌性是反映金屬材料對(duì)外來(lái)沖擊負(fù)荷的抵抗能力，一般由沖擊韌性值（ak）和沖擊功（Ak）表示，其單位分別為J/cm2和J（焦耳）。沖擊韌性或沖擊功試驗(yàn)（簡(jiǎn)稱"沖擊試驗(yàn)"），因試驗(yàn)溫度不同而分為常溫、低溫和高溫沖擊試驗(yàn)三種；若按試樣缺口形狀又可分為"V"形缺口和"U"形缺口沖擊試驗(yàn)兩種。沖擊韌度指標(biāo)的實(shí)際意義在于揭示材料的變脆傾向。
沖擊韌度ak表示材料在沖擊載荷作用下抵抗變形和斷裂的能力。ak值的大小表示材料的韌性好壞。一般把a(bǔ)k值低的材料稱為脆性材料，ak值高的材料稱為韌性材料。ak值取決于材料及其狀態(tài)，同時(shí)與試樣的形狀、尺寸有很大關(guān)系。ak值對(duì)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷、顯微組織的變化很敏感，如夾雜物、偏析、氣泡、內(nèi)部裂紋、鋼的回火脆性、晶粒粗化等都會(huì)使ak值明顯降低；同種材料的試樣，缺口越深、越尖銳，缺口處應(yīng)力集中程度越大，越容易變形和斷裂，沖擊功越小，材料表現(xiàn)出來(lái)的脆性越高。因此不同類型和尺寸的試樣，其ak或Ak值不能直接比較。
展開 復(fù)合材料纖維方向斷裂韌性的測(cè)量方法
熟悉Abaqus內(nèi)嵌的二維hashin漸進(jìn)失效模型的同學(xué)都知道，在判斷損傷起始以后，需要依據(jù)材料的斷裂韌性對(duì)剛度進(jìn)行退化，如下圖所示。
上述表格中的數(shù)據(jù)即為材料不同方向拉壓開裂時(shí)的斷裂韌性，在Hashin漸進(jìn)失效模型中，四個(gè)斷裂韌性的數(shù)值分別用于求解四個(gè)失效位移值，如下圖所示。
以纖維方向拉斷為例，Gft為纖維方向拉斷對(duì)應(yīng)的斷裂韌性，XT為單向板0°方向的拉伸強(qiáng)度，根據(jù)這兩項(xiàng)就可以推出其失效位移為：
一般的，對(duì)于基體的斷裂韌性我們可以通過(guò)雙懸臂梁實(shí)驗(yàn)（DCB實(shí)驗(yàn)，參見標(biāo)準(zhǔn)ASTM5528）來(lái)測(cè)得I型斷裂韌性。或者通過(guò)ENF試驗(yàn)來(lái)測(cè)得II型斷裂韌性。
DCB實(shí)驗(yàn)示意圖
ENF實(shí)驗(yàn)示意圖
目前在文獻(xiàn)或者試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中看到的都是針對(duì)基體或者界面的測(cè)試方法，很少有人去測(cè)試垂直纖維方向斷裂時(shí)的斷裂韌性。
本文將簡(jiǎn)單介紹一下沿纖維方向斷裂時(shí)的斷裂韌性測(cè)試方法，文獻(xiàn)中能夠查找到的大多都是基于CT和CC試樣，下圖所示是拉伸斷裂時(shí)的斷裂韌性測(cè)試方法及建議的試件尺寸，其參考的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是ASTM E399。
CT試樣示意圖
類似的，當(dāng)測(cè)試壓縮斷裂韌性時(shí)，采用CC試樣，其參考試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是ASTM E1820，如下圖所示。
CC試樣示意圖
纖維方向開裂時(shí)的斷裂韌性一般要遠(yuǎn)大于基體開裂時(shí)的斷裂韌性，例如，文獻(xiàn)中的纖維拉伸斷裂韌性大約在50-150N/mm之間，而基體斷裂韌性大約在0.2-1.5N/mm之間，相差可以達(dá)百倍。
上述實(shí)驗(yàn)在實(shí)際操作過(guò)程中是很容易失敗的，因?yàn)榛w強(qiáng)度很低，即使按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)建議的尺寸加工試件，在測(cè)試時(shí)，有可能會(huì)出現(xiàn)裂紋90°拐折，導(dǎo)致測(cè)不出纖維拉斷或壓斷時(shí)的斷裂韌性，因此對(duì)試件的加工要求很高，感興趣的可以嘗試一下，國(guó)內(nèi)測(cè)試這類數(shù)據(jù)的還是很少的。
展開 塑料韌性的本質(zhì)與評(píng)價(jià)方法的選擇
然而，塑料制品在使用過(guò)程中常常面臨沖擊、跌落、疲勞等動(dòng)態(tài)載荷作用，若材料韌性不足，則可能導(dǎo)致脆性斷裂、裂紋擴(kuò)展甚至產(chǎn)品失效。因此，塑料的韌性（Toughness）成為衡量其可靠性和使用壽命的關(guān)鍵指標(biāo)之一。
韌性是指材料在斷裂前吸收能量的能力，它綜合反映了材料的強(qiáng)度和延展性。高韌性塑料在受到?jīng)_擊時(shí)能夠通過(guò)塑性變形分散應(yīng)力，避免突然斷裂；而低韌性塑料則可能在輕微沖擊下發(fā)生脆性破壞，影響產(chǎn)品性能和安全。例如：
汽車保險(xiǎn)杠需要高韌性以吸收碰撞能量，保護(hù)車內(nèi)人員安全；
電子產(chǎn)品外殼需具備一定韌性，防止跌落時(shí)開裂；
食品包裝薄膜需兼具柔韌性和抗穿刺性，避免運(yùn)輸過(guò)程中破損。
那么，如何科學(xué)評(píng)價(jià)塑料的韌性？沖擊性能測(cè)試是最常用的方法之一。本文將系統(tǒng)探討塑料韌性的重要性、影響因素、評(píng)價(jià)方法，并結(jié)合實(shí)際案例解析如何優(yōu)化塑料的韌性性能。
塑料韌性的本質(zhì)
韌性與剛性是塑料材料的兩個(gè)重要性能指標(biāo)，它們之間存在一定的對(duì)立關(guān)系。剛性大的材料通常不易變形，但韌性較差；而韌性好的材料雖然容易變形，但抗沖擊能力更強(qiáng)。例如，玻璃纖維增強(qiáng)塑料的剛性較高，但其沖擊強(qiáng)度可能不如未增強(qiáng)的塑料。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，通常需要通過(guò)合理的改性方法來(lái)平衡韌性和剛性，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。
塑料韌性的影響因素
1. 基體樹脂的特性
研究表明，提高基體樹脂的韌性有利于提高增韌塑料的增韌效果，提高基體樹脂的韌性可通過(guò)以下途徑實(shí)現(xiàn)：
增大基體樹脂的分子量，使分子量分布變得窄小；通過(guò)控制是否結(jié)晶以及結(jié)晶度、晶體尺寸和晶型等提高韌性。例如，PP中加入成核劑提高結(jié)晶速率，細(xì)化晶粒，從而提高斷裂韌性。
2. 增韌劑的特性和用量
①. 增韌劑分散相粒徑的影響——對(duì)于彈性體增韌塑料，基體樹脂的特性不同，彈性體分散相粒徑的最佳值也不相同。
展開 哈佛大學(xué)鎖志剛院士課題組：寬度和厚度依賴的軟材料斷裂韌性
這些材料在應(yīng)用過(guò)程中，其斷裂韌性是一個(gè)非常重要的力學(xué)參數(shù)。通常情況下，材料的斷裂韌性被認(rèn)為是一個(gè)材料常數(shù)。它不依賴于材料的幾何形狀和加載方式。
圖1：軟材料的180°剝離實(shí)驗(yàn)
近日，哈佛大學(xué)鎖志剛院士課題組關(guān)于軟材料斷裂韌性的研究有了新的發(fā)現(xiàn)。研究人員以彈性體為模型材料，使用180°剝離實(shí)驗(yàn)測(cè)量軟材料的斷裂韌性（圖1）。在未變形狀態(tài)下，彈性體的長(zhǎng)度為L(zhǎng)、厚度為H、寬度為B。在固化過(guò)程中，使用低粘性的薄膜在彈性體中引入一個(gè)長(zhǎng)度為C的預(yù)制裂紋（圖1a）。將可彎曲但不可拉伸的背膜粘在試件的上下兩面。試件通過(guò)拉伸機(jī)進(jìn)行加載(圖1b)。在加載過(guò)程中，兩個(gè)加載臂在豎直方向呈一條直線。載荷傳感器記錄剝離力F(圖1c)。剝離力從零開始逐漸增加。這對(duì)應(yīng)著裂紋尖端的鈍化過(guò)程。當(dāng)裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展時(shí)，剝離力穩(wěn)定在一個(gè)平臺(tái)，記作Fss。材料的韌性通過(guò)Γ=2Fss/B 計(jì)算得到。當(dāng)B/H比較大時(shí)，彈性體的裂紋尖端在剝離過(guò)程中處于平面應(yīng)變狀態(tài) (圖1d)。當(dāng)B/H比較小時(shí)，彈性體的裂紋尖端在剝離過(guò)程中處于平面應(yīng)力狀態(tài) (圖1e)。
研究人員首先固定樣品的厚度H，測(cè)量不同寬度B的樣品的剝離韌性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。可以看到，當(dāng)試件的寬度B比較小時(shí)，材料的斷裂韌性隨寬度B增加而增加。當(dāng)試件的寬度B比較大時(shí)，材料的斷裂韌性隨寬度B增加保持不變。寬度大的試件測(cè)得的材料韌性比寬度小試件測(cè)得的材料韌性高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。
圖2：斷裂韌性隨試件寬度B變化
材料的斷裂韌性隨寬度增加這一現(xiàn)象可以作如下解釋。考慮斷裂過(guò)程區(qū)中的一個(gè)物質(zhì)點(diǎn)。這一點(diǎn)的應(yīng)力在試件的加載方向上不為零。
展開 
哈佛大學(xué)鎖志剛院士團(tuán)隊(duì)開發(fā)出高韌性、低滯后的可拉伸材料
而這些領(lǐng)域通常需要材料具有高韌性和低滯后性。高韌性可以消耗較多的能量來(lái)抵抗裂縫生長(zhǎng)，低滯后性可以在拉伸和恢復(fù)過(guò)程中耗散較少的能量。然而，因?yàn)?em>韌性和滯后是由不同的能量耗散機(jī)制引起的，通常具有相關(guān)性，難以同時(shí)滿足這兩個(gè)要求。
高度拉伸的單一聚合物網(wǎng)絡(luò)彈性體或水凝膠具有低滯后性和低韌性。可以通過(guò)引入犧牲鍵、纖維或多重聚合物網(wǎng)絡(luò)的方法來(lái)提升單一聚合物網(wǎng)絡(luò)的韌性。這些方法可以有效平衡韌性和滯后的關(guān)系。在含有犧牲鍵的材料中，無(wú)論是否可修復(fù)，當(dāng)負(fù)載的大小超過(guò)某一閾值時(shí)，裂縫也會(huì)隨著拉伸循環(huán)不斷地生長(zhǎng)，產(chǎn)生所謂的疲勞斷裂，使拉伸時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變行為復(fù)雜化，不利于在機(jī)器人、傳感器和致動(dòng)器中的實(shí)際應(yīng)用。
美國(guó)哈佛大學(xué)John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的鎖志剛教授課題組打破了韌性與滯后的相關(guān)性，提出了一種在不引入犧牲鍵的前提下，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高韌性和低滯后性的策略——即采用具有強(qiáng)粘結(jié)力的低彈性模量基體和高彈性模量纖維組成復(fù)合材料。有趣的是，采用的基體和纖維都具有低滯后（5％）和低韌性（300 J/m2），而其復(fù)合材料卻體現(xiàn)低滯后和高韌性（10,000J/m2）。基體和纖維都易于發(fā)生疲勞斷裂，而復(fù)合材料具有高度抗疲勞性。相關(guān)工作以“Stretchable materials of high toughness and low hysteresis”為題，發(fā)表在《PNAS》上，第一作者王正錦博士。
研究者首先利用制備聚二甲基硅氧烷（PDMS）的復(fù)合材料來(lái)實(shí)現(xiàn)這一策略。材料前驅(qū)體分為基體（A）和固化劑（B），定義重量比為A/B = 10/1為“硬PDMS”，并將固化劑含量更小的樣品稱為“軟PDMS”。研究者將硬PDMS薄膜切割，充當(dāng)纖維，再與軟PDMS混合固化，形成復(fù)合材料，并用紅色對(duì)基體進(jìn)行著色，以便觀察樣品中的纖維和裂紋輪廓。
展開 鋼材韌性及斷裂原因研究
一是含碳量在0.03%以下，碳以珠光體球結(jié)的形式存在，對(duì)鋼的韌性影響較小；二是含碳量較高時(shí)，以球光體形式直接影響韌性和夏比曲線。
2.處理工藝的影響
實(shí)踐得知，水淬火鋼的沖擊性能優(yōu)于退火或正火鋼的沖擊性能，原因在于快冷阻止了滲碳體在晶界形成，并促使鐵素體晶粒變細(xì)。
許多鋼材是在熱軋狀態(tài)下銷售，軋制條件對(duì)沖擊性能有很大影響。較低的終軋溫度會(huì)降低沖擊轉(zhuǎn)變溫度，增大冷卻速度和促使鐵素體晶粒變細(xì)，從而提高鋼材韌性。厚板因冷卻速度比薄板慢，鐵素體晶粒比薄板粗大。所以，在同樣的熱處理?xiàng)l件下厚板比薄板更脆性。因此，熱軋后常用正火處理以改善鋼板性能。
熱軋也可生產(chǎn)各向異性鋼和各種混合組織、珠光體帶、夾雜晶界與軋制方向一致的定向韌性鋼。珠光體帶和拉長(zhǎng)后的夾雜粗大分散成鱗片狀，對(duì)夏比轉(zhuǎn)變溫度范圍低溫處的缺口韌性有很大影響。
3.鐵素體-可溶合金元素的影響
絕大多數(shù)合金元素加入低碳鋼，是為了生產(chǎn)在某些環(huán)境溫度下的固溶體硬化鋼，提高晶格摩擦應(yīng)力δi。但目前還不能僅用公式預(yù)測(cè)較低屈服應(yīng)力，除非已知晶粒尺寸。雖然屈服應(yīng)力的決定因素是正火溫度和冷卻速度，然而這種研究方法仍很重要，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)提高δi預(yù)測(cè)單個(gè)合金元素可降低韌性的范圍。
鐵素體鋼的無(wú)塑性轉(zhuǎn)變（NDT）溫度和夏比轉(zhuǎn)變溫度的回歸分析至今尚無(wú)報(bào)導(dǎo)，然而這些也僅限于加入單個(gè)合金元素對(duì)韌性影響的定性討論。以下就幾種合金元素對(duì)鋼性能的影響作簡(jiǎn)要介紹。
1）錳
絕大多數(shù)的錳含量約為0.5%。作為脫氧劑或固硫劑加入可防止鋼的熱裂。在低碳鋼中還有以下作用。
◆含碳量0.05%鋼，空冷或爐冷后有降低晶粒邊界滲碳體薄膜形成的趨勢(shì)。
◆可稍減小鐵素體晶粒尺寸。
◆可產(chǎn)生大量而細(xì)小的珠光體顆粒。
前兩種作用說(shuō)明NDT溫度隨著錳量的增加而降低，后兩種作用會(huì)引起夏比曲線峰值更尖。
展開 新品韌性紅蠟樹脂內(nèi)測(cè)名額限量開放
縱維立方如今有著專用于制作手辦和珠寶模型的高精度紅蠟樹脂、專門針對(duì)LCD設(shè)計(jì)的剛性樹脂和綠色環(huán)保的植物基樹脂，如果以上幾款樹脂你都已經(jīng)詳細(xì)體驗(yàn)過(guò)，那么今天，小方則為大家?guī)?lái)了一款新品韌性紅蠟樹脂的內(nèi)測(cè)福利！??
與縱維立方現(xiàn)有的幾款樹脂相比，這款新品韌性紅蠟樹脂有著哪些突出特點(diǎn)？它又適用于打印哪些模型類別？小方這就來(lái)為大家一一解答！
韌性
紅蠟樹脂
普通的剛性樹脂、植物基樹脂由于沒有那么高的韌性，在強(qiáng)力彎曲的作用下容易被折斷，而這款新品韌性紅蠟樹脂的一大優(yōu)勢(shì)就是可以彎折且不易斷，可承受一定的張力和應(yīng)力，同時(shí)擁有延展性。
韌性
紅蠟樹脂
紅蠟樹脂材料具有高精度、低收縮、低氣味、固化時(shí)間短的特點(diǎn)，因此模型打印的成功率更高，且使用紅蠟樹脂打印出來(lái)的模型表面光滑細(xì)膩，細(xì)節(jié)表現(xiàn)更清晰，無(wú)需二次加工也可達(dá)到理想的效果。
展開 【螺栓斷裂】Abaqus韌性損傷與剪切損傷準(zhǔn)則---{ 問題答疑 +工程案例 + 模型文件 } ￥99.9
Abaqus中韌性金屬失效分析需要定義c點(diǎn)的損傷初始化準(zhǔn)則，以及cd段的損傷演化（損傷后材料剛度退化路徑）。材料軟化后可持續(xù)承載，直到達(dá)到d點(diǎn)，材料失效，失去承載能力。
圖1-韌性金屬的全載荷區(qū)間應(yīng)力-應(yīng)變曲線
圖2-韌性金屬的損傷準(zhǔn)則
ABAQUS為韌性金屬提供不同的損傷初始化準(zhǔn)則，大致分為兩種類型：
金屬裂紋的損傷初始化準(zhǔn)則，包括韌性準(zhǔn)則（ductile damage、Johnson-Cook damage）和剪切準(zhǔn)則（shear damage）。也就是圖2中紅框內(nèi)的三個(gè)準(zhǔn)則，它們都屬于金屬承載后產(chǎn)生裂紋的準(zhǔn)則。
金屬板的徑縮不穩(wěn)定損傷初始化準(zhǔn)則，包括幾種成形極限圖，用于評(píng)估鈑金件的可成形性。也就是紅框外的幾個(gè)準(zhǔn)則，不在本文討論范圍。
圖3-漸進(jìn)損傷失效分類【摘自Abaqus材料本構(gòu)模型導(dǎo)圖，完整版鏈接】
····································常見問題解答····································
······Q1: 韌性準(zhǔn)則和剪切準(zhǔn)則有何不同？
······A1: 韌性金屬開裂有兩種主要機(jī)理，基于唯象觀察，仿真模擬這兩種機(jī)理時(shí)用到不同的損傷起始準(zhǔn)則（hooputra2004）：
機(jī)理1，由于內(nèi)部（微裂紋）的成核、生長(zhǎng)和孔隙的聚集產(chǎn)生的韌性斷裂，這種情況下ductile damage、Johnson-Cook damage兩種韌性準(zhǔn)則是適用的，常見于拉伸工況。
圖4-機(jī)理1韌性斷裂
機(jī)理2，由于剪力帶局部化產(chǎn)生的剪切斷裂，這時(shí)shear damage比較適合，常見于剪切工況。
展開 美推出中小無(wú)人機(jī)三層韌性導(dǎo)航系統(tǒng)
這第三層韌性提供了在較長(zhǎng)GNSS中斷期間進(jìn)行導(dǎo)航的能力。除此之外，霍尼韋爾還在開發(fā)多種替代導(dǎo)航系統(tǒng)，以確保在GNSS面臨挑戰(zhàn)或被拒止的環(huán)境中持續(xù)安全可靠運(yùn)行。
除了支持中小型無(wú)人機(jī)（尤其是那些執(zhí)行超視距任務(wù)的無(wú)人機(jī)），這些韌性導(dǎo)航系統(tǒng)的未來(lái)應(yīng)用還將包括自動(dòng)駕駛、專用商用車和個(gè)人導(dǎo)航等行業(yè)。
轉(zhuǎn)自：電科小氙
《Science》子刊：利用分子滑輪交聯(lián)劑制備高韌性、透明彈性體
除了柔性和彈性之外，韌性也是彈性體滿足產(chǎn)品需求的重要性能指標(biāo)之一。
通常，對(duì)于具有常規(guī)交聯(lián)結(jié)構(gòu)的彈性體，提高其韌性勢(shì)必影響其延展性和彈性，為達(dá)到材料的需求，必須權(quán)衡多種性能。例如，將大量填料（炭黑等）引入彈性體中，能有效提升其韌性，但會(huì)損害材料的透明度，限制了該材料在柔性顯示器和軟體機(jī)器人中的使用。
近期，日本名古屋大學(xué)分子與高分子化學(xué)系的Yukikazu Takeoka課題組與東京大學(xué)先進(jìn)材料科學(xué)系的Koichi Mayumi、Kohzo Ito課題組通過(guò)使用由環(huán)狀分子和線性聚合物組成的聚輪烷（PR）作為交聯(lián)劑，成功地制備了易于制造且具備良好延展性和高韌性的光學(xué)透明彈性體，并通過(guò)原位小角X射線散射（SAXS）技術(shù)首次觀察到由于PR交聯(lián)劑的滑動(dòng)引起的構(gòu)象變化。
研究者向聚乙二醇和α-環(huán)糊精組成的PR上引入大量乙烯基，成功獲得PR交聯(lián)劑，并利用該交聯(lián)點(diǎn)可滑動(dòng)的多官能度交聯(lián)劑與MEO2MA單體進(jìn)行聚合，制備了不同交聯(lián)度的透明高韌性彈性體。
通常，具有常規(guī)交聯(lián)結(jié)構(gòu)的彈性體由于在高交聯(lián)密度下失去伸長(zhǎng)性而易于破裂。研究者發(fā)現(xiàn)，與通過(guò)常規(guī)交聯(lián)劑（EGDMA）制得的彈性體相比，隨著交聯(lián)密度的增加，使用PR交聯(lián)劑制備的透明彈性體的韌性隨其楊氏模量而增強(qiáng)，這表明PR交聯(lián)的彈性體與傳統(tǒng)交聯(lián)彈性體結(jié)構(gòu)是完全不同的。由于可移動(dòng)的輪烷結(jié)構(gòu)的存在，彈性體中的聚合物鏈更易移動(dòng)，使得形變過(guò)程中更大比例的能量用于材料的塑性流動(dòng)中。
圖文速讀
圖1 使用聚輪烷交聯(lián)劑和通用交聯(lián)劑制備的彈性體的機(jī)械性能對(duì)比。
（A）用HPR-C和EGDMA作為交聯(lián)劑制備的MEO2MA彈性體的應(yīng)力-伸長(zhǎng)率曲線；（B）由1A圖轉(zhuǎn)換的曲線；（C）用HPR-C和EGDMA作為交聯(lián)劑制備的MEO2MA彈性體的應(yīng)力-伸長(zhǎng)率滯后回線。
展開 華中科技大學(xué)柳林組JMCA: 新型熱噴涂3D打印技術(shù)制備大尺寸高韌性Fe基非晶合金及其復(fù)合材料
然而，目前有兩大因素限制了Fe基非晶合金的工業(yè)應(yīng)用，其一為非晶尺寸限制；其二為低塑性與低斷裂韌性。
2013年，研究人員首次嘗試用選區(qū)激光熔化（SLM）3D打印技術(shù)制備出了Fe基非晶合金。SLM技術(shù)的基本原理為采用高能激光束完全熔化非晶粉末，然后逐層疊加成形。盡管激光掃描能夠獲得足夠高的冷卻速率，保證足夠的非晶結(jié)構(gòu)的形成，但激光掃描引起的高溫度梯度會(huì)在樣品中產(chǎn)生極大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致大量微裂紋的形成。因此，基于SLM技術(shù)（其他傳統(tǒng)3D打印技術(shù)情況類似）制備的Fe基非晶合金往往表現(xiàn)出極差的力學(xué)性能（如壓塑強(qiáng)度<300 MPa, 斷裂韌性為<1 MPa m1/2）。因此，開發(fā)新型3D打印技術(shù), 對(duì)于制備大尺寸、力學(xué)性能優(yōu)異的Fe基非晶合金十分重要。
【成果簡(jiǎn)介】
最近，華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院柳林教授課題組的張誠(chéng)等人，開發(fā)出一種新型超音速熱噴涂3D打印(簡(jiǎn)稱TS3DP)技術(shù)，利用粉末表面熔化以及超音速沉積作用，克服了激光3D打印技術(shù)引起的高溫度梯度以及熱影響區(qū)等限制，在大氣環(huán)境下成功制備出超大尺寸，高致密度（99.7%），近乎100%非晶相，且具有良好斷裂韌性的Fe基非晶合金。更為重要的是，該技術(shù)可極其方便地添加任意比例的第二相，制備力學(xué)性能更有優(yōu)異的非晶基復(fù)合材料。例如，將Fe基非晶合金與傳統(tǒng)316L不銹鋼粉末復(fù)合制備的Fe基非晶基復(fù)合材料，其強(qiáng)度達(dá)到1.8GPa，斷裂韌性超過(guò)20 MPa m1/2 （是鑄態(tài)Fe基非晶的4倍）。研究發(fā)現(xiàn)，該非晶合金及復(fù)合材料具有優(yōu)異斷裂韌性主要?dú)w因于熱噴涂產(chǎn)生的扁平狀層間結(jié)構(gòu)，阻礙裂紋貫穿性擴(kuò)展，從而提高材料的斷裂韌性。在此基礎(chǔ)上，輔以預(yù)制模板，就可以打印出形狀較為復(fù)雜的三維非晶零件。相比于傳統(tǒng)激光3D打印技術(shù)，TS3DP技術(shù)具有更高的3D打印效率（是激光3D打印的4-10倍）。
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【引言】
盡管最近在輕質(zhì)材料的設(shè)計(jì)和制造方面取得了一些進(jìn)展，但是制備兼有高剛度和高韌性的結(jié)構(gòu)材料仍然存在許多挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@些性能常常是相互排斥的。天然材料通過(guò)在多個(gè)尺度上結(jié)合不同的增韌機(jī)理克服了這些限制。為了提高斷裂韌性，需要能量吸收機(jī)制來(lái)增加臨界裂紋在失效前拉伸長(zhǎng)度。然而，將這種類型的機(jī)制引入到網(wǎng)格體系結(jié)構(gòu)中非常困難，因?yàn)闃?gòu)建復(fù)雜的支撐體結(jié)構(gòu)十分具有挑戰(zhàn)性。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，瑞士蘇黎世大學(xué)的Kristina Shea和哈弗大學(xué)的Jennifer A. Lewis（共同通訊作者）報(bào)道了一種用于制造由核殼（C-S）支柱構(gòu)成的建筑網(wǎng)格的新方法，借助于擠出成型的3D打印技術(shù)，研究人員得到了同時(shí)具有高硬度和韌性的三維結(jié)構(gòu)。由核殼支柱構(gòu)成的這些架構(gòu)網(wǎng)格包含具有柔性環(huán)氧核-脆性環(huán)氧殼結(jié)構(gòu)單元的各向異性正交支柱，用柔性核-彈性殼界面薄殼單元生產(chǎn)的架構(gòu)晶網(wǎng)格同時(shí)表現(xiàn)出了高剛度和高韌性。相關(guān)研究成果以“Architected Lattices with High Stiffness and Toughness via Multicore–Shell 3D Printing”為題發(fā)表在Advanced Materials上。
【圖文導(dǎo)讀】
圖一 多核殼噴嘴的示意圖和打印所用墨水的流變學(xué)性質(zhì)圖
（a）連接到核心的同軸打印頭，接口和外殼油墨容器的光學(xué)圖像
（b）C-S打印頭的橫截面示意圖
（c）從C-S噴嘴中共同擠出的柔性環(huán)氧芯（紅色），彈性體硅氧烷界面（藍(lán)色）和脆性環(huán)氧殼（灰色）油墨的相對(duì)應(yīng)的假彩色光學(xué)圖像。
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表2：樣品A與樣品B的機(jī)械力學(xué)性能與能量吸收特征對(duì)比
樣品
彎曲模量 (MPa)
斷裂伸長(zhǎng)率 (%)
斷裂強(qiáng)度 (MPa)
破壞韌性 (MJ/m3)
缺口沖擊強(qiáng)度 (KJ/m2) (-30℃ 低溫環(huán)境)
▲ 圖4：樣品A與B的機(jī)械性能。（a）彎曲性能；（b）拉伸性能
根據(jù)圖4及測(cè)試數(shù)據(jù)：樣品A的彎曲模量為250.7 MPa，約為樣品B（123.7 MPa）的兩倍，表明樣品A具有更高的剛性。在拉伸階段，樣品B的斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到1345.4%，破壞韌性（218.6 MJ/m3）明顯高于樣品A（120.9 MJ/m3）。總體而言，樣品A偏向高剛性，而樣品B表現(xiàn)出更好的剛度與韌性平衡。
▲ 圖5：樣品A與B的流變性能。（a）儲(chǔ)能模量G′與損耗模量G′′；（b）復(fù)數(shù)熔體黏度η?
在190 ℃的高溫熔體流變性能測(cè)試中，如圖5所示，樣品B在不同角頻率掃描范圍內(nèi)表現(xiàn)出高于樣品A的儲(chǔ)能模量G′，表明其熔體內(nèi)部彈性儲(chǔ)能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)更多。兩者的表觀復(fù)數(shù)黏度均隨剪切速率的增加而下降，樣品A的表觀黏度下降更為劇烈，意味著樣品A在高剪切區(qū)具有較好的加工流動(dòng)性，而樣品B表現(xiàn)出較強(qiáng)的對(duì)剪切解纏結(jié)的抵抗力。
2.3 分析維度的技術(shù)需求
面對(duì)上述基礎(chǔ)參數(shù)相似但力學(xué)與流變性能不同的情況，傳統(tǒng)的單一維度表征難以準(zhǔn)確定位原因。必須引入能夠同時(shí)解析分子鏈長(zhǎng)、短鏈支化度分布以及片晶拓?fù)淇臻g狀態(tài)的多維交叉分級(jí)系統(tǒng)，以量化導(dǎo)致該差異的微觀機(jī)理。
三、解決方案：國(guó)高材分析測(cè)試中心的多維交叉分級(jí)表征分析
國(guó)高材分析測(cè)試中心制定了多維交叉分析（Cross-Fractionation）方案，對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入表征。
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