據(jù)designnews網(wǎng)站2019年3月15日刊文，英國倫敦帝國學(xué)院研究人員通過模仿高強(qiáng)金屬合金中更不規(guī)則的微尺度晶體結(jié)構(gòu)，找到了一種制造更耐損傷材料的方法。這一技術(shù)突破可能開發(fā)出具有全新特性的材料，如更高強(qiáng)度，更輕重量以及更強(qiáng)抗應(yīng)力損傷能力。
在材料科學(xué)中，以模仿自然的結(jié)構(gòu)形式來設(shè)計(jì)材料，通?？梢援a(chǎn)生更好的結(jié)果，例如更高的強(qiáng)度和更輕的重量。典型的設(shè)計(jì)材料由“單元格”構(gòu)成，這些單元格的排列按相同方向規(guī)律排列，如具有重復(fù)節(jié)點(diǎn)和桁架的網(wǎng)格(類似于金屬單晶的排列：晶格中的節(jié)點(diǎn)等同于單晶中的原子，桁架相當(dāng)于原子鍵)。
雖然這種類型的單晶材料非常適合高溫應(yīng)用，但其抗機(jī)械應(yīng)力性能并不是很好。當(dāng)材料過載時，可能出現(xiàn)局部的高應(yīng)力帶(“剪切帶”)，導(dǎo)致材料以裂縫的形式發(fā)生高度局部變形，最終導(dǎo)致材料破壞。該團(tuán)隊(duì)的研究報(bào)告“受晶體微觀結(jié)構(gòu)啟發(fā)的耐損傷的設(shè)計(jì)材料”發(fā)表在2019年1月7日的“自然”雜志上。
模仿金屬的微觀晶體結(jié)構(gòu)
金屬合金的晶格是獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。在原子水平上，它們由相同類型和方向的單元格組成，但是位于許多域中，每個域與附近域的晶格取向不同(與單晶排布不同)。來自倫敦帝國理工學(xué)院材料系和謝菲爾德大學(xué)的材料研究人員通過構(gòu)建晶格單元，找到了一種模擬金屬和合金晶體微觀結(jié)構(gòu)的方法，這些單元格是由桁架連接的有序節(jié)點(diǎn)排列組成。
使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)包，該團(tuán)隊(duì)隨后能夠3D打印這種“亞晶”材料，得到的樣品比典型材料更耐開裂和彎曲，同時更輕更強(qiáng)。團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過減小結(jié)構(gòu)內(nèi)每個顆粒狀晶格區(qū)域的尺寸，它可以增加亞晶體的強(qiáng)度。這些材料也可以以特定的預(yù)定結(jié)構(gòu)路徑引導(dǎo)損傷的方式產(chǎn)生，以最小化和停止損傷。該技術(shù)可用于制造具有所需特性的多功能材料零件和部件，例如，可以在不犧牲安全性的情況下減輕重量并提高車輛的燃油效率，航空發(fā)動機(jī)或渦輪葉片中的風(fēng)扇葉片。
晶格設(shè)計(jì)多次強(qiáng)化材料
為了達(dá)到研究目的，該團(tuán)隊(duì)使用熔融沉積建模，粉末床熔融工藝制備樣品。迄今為止，研究人員已經(jīng)打印了三種類型的聚合物，以及包括316L鋼和Ti6Al4V在內(nèi)的金屬。原則上，打印的晶格可以采用任何一種材料制成，包括鎢、鎳合金甚至生物材料。基本上，這種晶格設(shè)計(jì)方法可以多次應(yīng)用來增加設(shè)計(jì)材料的強(qiáng)度。
“順序”(晶格)因域而異；但是在域內(nèi)，晶格取向是一致的，或者是多晶取向的。目前研究人員正在開發(fā)一個計(jì)算平臺，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的多晶格取向。
該技術(shù)是一種創(chuàng)造復(fù)雜和定制組件的有前途的方法，這些組件不需要大量生產(chǎn)，但具有高附加值，例如醫(yī)療設(shè)備或昂貴的飛機(jī)部件。該團(tuán)隊(duì)還認(rèn)為，創(chuàng)建晶體金屬合金的新方法將帶來新的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究，為晶體內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和理解帶來提升。
展望未來，研究人員希望利用這項(xiàng)技術(shù)開發(fā)出一種輕質(zhì)，堅(jiān)固耐用且智能的新型材料。
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