Advanced Science:天使所成,类米开朗基罗拱顶超材料

导读

我们的灵感来自保存最完好的古罗马古迹-万神殿。米开朗基罗在1500年早期见到万神殿时,他宣称这是:「天使所成,而非人为的设计」 。他的设计万神殿拱顶在罗马中心已经屹立了近500年, 作为当时最大的穹顶建筑,同时拥有高承载和低密度的特点。鉴于此,团队设计了具有梯度螺旋的穹顶机械超材料,首次结合“超纳双相玻璃晶体”金属涂层,得到的层级结构以其超轻、超高强度和良好的延展性的独特组合特性,扩展了材料特性的空间范围。

简介

结构超材料可以表现出传统块体材料所不具备的机械性能。通过将特征尺寸减小到纳米级,利用集成层级结构和尺寸效应,双光子光刻技术制造的金属/陶瓷微/纳复合结构完整性大大增强,具有超高的比强度。但是,强度和延展性的获得通常是相互排斥的。随着薄膜厚度的增加,报道的结构材料通常以灾难性的脆性失效而告终。于是有“越薄延展性越好”的尺寸效应,薄膜厚度通常小于100 nm甚至10nm,以实现尺寸诱导的脆性到延性转变,却也导致强度和刚度的提升不明显。因此,仍需开发大胆的结构和力学性能优异的新型材料,使机械超材料更接近实际应用。

基于此,香港城市大学吕坚团队设计了一种穹顶机械超材料,原位实验和数值模拟表明,该结构具有受力扭转的性能。利用团队前期开发的非晶基体中密集嵌入纳米尺寸晶体颗粒的双相材料(超纳双相材料),将超强高塑Al基超纳双相厚涂层沉积于穹顶之上,所得的超纳机械超材料强度大幅提高;同时依旧具有延展性,这得益于轴向荷载下结构的扭转为材料提供了额外的变形模式。相比之前美国团队在Science上报道的强韧微晶格,抗压强度提高了73倍。这一设计理念通过将压缩与扭转变形模式耦合来抑制灾难性破坏,实现了良好的强度-延性组合。

图片与描述

图1. 穹顶层级机械超材料的示意图与微观结构表征

图2. 不同螺旋结构穹顶的力学表征

图3. 超纳穹顶复合物的原位压缩测试

图4. 超纳穹顶复合物良好的强度-延性组合,并与先前报道超材料比较

图5. 穹顶机械超材料的循环加载与潜在应用

小结

综上所述,这个研究提出了一种创新的结构设计策略,通过在穹顶建筑中引入螺旋梁来增强延展性。克服了“越薄延展性越好”的尺寸效应,即沉积了厚涂层后,刚度大幅度提升77倍,抗压比强度高达156.09 MPa cm3/g,密度远低于水,却依旧表现出极好的延展性和可循环性。穹顶中的螺旋扭转效应有助于减轻软材料中的snap-through不稳定性,同时扭转亦能通过耗散能量来抑制复合材料的灾难性崩塌。这种结构设计的策略对于其他材料系统依旧可行,从而极大程度地发挥了薄膜的优势,克服强度-延展性之间相互制约的问题。其极低的相对密度和独特的形状使其在医疗设备和航空航天领域均有潜在应用,例如介入手术中导管尖端,叶片或全翼结构中的轻质填充材料。

吕坚院士简介

吕坚,法国国家技术科学院(NATF)院士,香港工程科学院院士,香港高等研究院高级研究员,香港城市大学机械工程系讲座教授,国家贵金属材料工程研究中心香港分社,香港材料研究会(HKMRS)理事长,香港力学学会前理事长国家贵金属材料工程研究中心香港分社理事,先进结构材料中心主任,国家贵金属材料工程研究中心香港分中心主任。研究方向涉及先进结构与功能纳米材料的制备和力学性能,机械系统仿真模拟设计。曾任法国机械工业技术中 (CETIM)高级研究工程师和实验室负责人,法国特鲁瓦技术大学机械系统工程系系主任,法国教育部与法国国家科学中心(CNRS)机械系统与并行工程实验室主任,香港理工大学机械工程系系主任、讲座教授,兼任香港理工大学工程学院副院长,香港城市大学副校长。曾任法国、欧盟和中国的多项研究项目的负责人,并与空客、EADS、宝钢、安赛乐米塔尔、AREVA、ALSTOM、EDF、ABB、雷诺、标致等世界五百强公司有合作研究关系或为它们进行科学咨询工作。曾任欧盟第五框架科研计划评审专家;欧盟第六框架科研计划咨询专家;中国国家自然科学基金委海外评审专家,中科院首批海外评审专家,中科院沈阳金属所客座首席研究员,东北大学、北京科技大学、南昌大学名誉教授,西安交通大学和西北工业大学顾问教授,上海大学、中山大学、中南大学等大学客座教授,中科院知名学者团队成员,2011年被法国国家技术科学院(NATF)选为院士,是该院近300位院士中首位华裔院士。2006年与2017年分别获法国总统任命获法国国家荣誉骑士勋章及法国国家荣誉军团骑士勋章,2018年获中国工程院光华工程科技奖。已取得34项欧、美、中专利授权,在本领域顶尖杂志Nature(封面文章)、Science、Nature Materials、Materials Today、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nature Communications、Science Advances、 Advanced Science、PRL、Angew. Chem. 等专业杂志上发表论文400余篇,引用2万8千余次(Google Scholar) 。

论文信息:

The Twisting of Dome‐Like Metamaterial from Brittle to Ductile

Lizi Cheng, Tao Tang, Haokun Yang, Fengqian Hao, Ge Wu, Fucong Lyu, Yu Bu, Yilu Zhao, Yan Zhao, Guo Liu, Xuan Cheng, Jian Lu*

Advanced Science

DOI: 10.1002/advs.202002701