普渡大学制造出力学性能突出的空心纳米复合超材料

复合空心格栅的结构设计与微观结构（a）复合空心晶格的多尺度设计图解；（b）来自复合空心晶格倾斜视图的SEM图像；（c）复合空心晶格的放大SEM图像，碳化聚多巴胺（C PDA）拉曼图的G峰；（d）复合空心晶格的空心支柱管壁TEM图像，显示氧化铝纳米层的厚度为15nm和C-PDA纳米层的厚度为8纳米。



弯曲为主的空心晶格的变形和破坏机制。（a）晶格节点处的单轴压缩试验所引起的变形可分为：梁拉伸、梁弯曲和节点弯曲。（b）空心复合晶格单轴压缩的有限元建模（FEM）表明应力集中在晶格的节点上。（c）来自不同格点的凸起空心节点。有限元可视化是在2.61%的应变下进行的。在有限元结果的基础上，对不同格点的节点进行了相应的实验观测。在33%的压缩应变下拍摄SEM图像。（d）比较了不同格栅中竖直支柱的破坏情况。陶瓷晶格的支柱在中间表现出屈曲和扭结，当复合材料格栅的支柱仅在一个裂缝处倾斜时，破坏在支柱与水平连接点处开始。

理想材料不仅需要像机械一样坚固可靠，而且还要轻质。大自然很容易做到这一点，如砖和砂浆，结合软，轻材料进行周期性组合，产生具有优良强度、刚度和韧性的复合材料。然而，用实验室中的材料来模拟大自然的智慧，这一点被证明是非常棘手的。

现在，由普渡大学Gary J. Cheng领导的美国和中国研究人员团队已经提出了一种克服“混合物规则”的策略，创建超轻、机械可靠的复合材料[Deng et al., Materials Today (2018), https://doi.org/10.1016/j.mattod.2018.03.027]。

陶瓷材料轻质而坚固，但本质上很脆。然而，3D打印的出现使得制造内部具有复杂微结构和纳米结构的复合材料能够弥补这一缺点。中空3D结构 为“机械超材料”带来了希望，这种结构大大减轻了重量，提高了刚度和强度。迄今为止，这种机械超材料分为两类，由可伸展晶格（S晶格）和弯曲晶格（B晶格）支配的桁架结构。S-晶格中的支柱不能旋转或弯曲，因此这些结构具有高的刚度，但他们在压缩下屈曲。相比之下，B-晶格具有更灵活的抗冲击应变，因为他们的支柱可以旋转和弯曲。

相反，Cheng和他的团队创建了一种弯曲主导的空心纳米材料（B-H晶格），具有优异的强度、可恢复性和循环性，他们涂覆碳化聚合物纳米层以减少变形过程中的弯曲。

“我们发现，陶瓷纳米线的机械性能可以通过纳米陶瓷/碳纳米晶格显著改善，使它们具有更好的刚度、循环性和刚性/强度重量比，”他解释道。

B-H晶格是由相互连接的垂直支柱支撑的蝶形单元构成的。使用UV固化树脂模板形成复杂的结构，这种模板用光刻法制造。氧化铝与外部的纳米层碳化聚多巴胺在模板上沉积。最后，除去模板，留下一种表现出高刚度、低密度、在没有应变（不超过55%）的情况下不弯曲的超材料，并且在循环加载（15%应变）下是稳定的。

“我们的材料的新颖之处在于它的非屈曲行为，这是第一次实现这种恢复机制” Cheng说。

新型超材料可以通过弯曲来适应较大的应变，同时抑制变形过程中的屈曲。他说，与天然材料相比，超材料的性能是突出的。

现在，这个团队想展示这种超材料的大规模生产。

Cheng说：“在未来10年，我们的研究将有助于像陶瓷基多功能结构、机械稳定储能设备、轻质高强度材料和能量耗散结构的应用。”

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