科研進(jìn)展
科研人員利用核徑跡技術(shù)制備超高能量吸收密度力學(xué)超材料
近日,中國科學(xué)院近代物理研究所材料研究中心科研人員與重慶大學(xué)合作者在利用核徑跡技術(shù)制備具有超高能量吸收密度的力學(xué)超材料研究中取得了進(jìn)展。相關(guān)成果以亮點(diǎn)文章“編輯推薦”(Editors’Highlights)的形式發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。
力學(xué)超材料是指一類具有人工設(shè)計的結(jié)構(gòu)并表現(xiàn)出傳統(tǒng)材料所不具備的超常力學(xué)性質(zhì)的復(fù)合材料。其中,能量吸收型力學(xué)超材料可以更高效地吸收機(jī)械能,這要求材料本身同時具有高強(qiáng)度和高應(yīng)變能力。但在通常情況下,材料的高強(qiáng)度和高應(yīng)變能力很難同時獲得。
納米晶格(Nanolattice)是一類新興的力學(xué)超材料。由于納米尺寸效應(yīng)以及豐富的空間構(gòu)型和材料選擇,納米晶格可以在更輕質(zhì)的情況下實(shí)現(xiàn)超常的力學(xué)性質(zhì),有望在未來高性能材料領(lǐng)域帶來變革性的應(yīng)用。納米梁晶格是納米晶格中最主要的研究對象,然而長期以來,梁直徑小于100納米的金屬納米晶格的制備很難突破,其力學(xué)性質(zhì)還不是很清楚。
科研人員基于蘭州重離子加速器裝置,利用核徑跡技術(shù),成功制備了梁直徑僅為34納米的金和銅準(zhǔn)體心立方納米梁晶格。該方法突破了已有納米梁晶格力學(xué)超材料的尺寸極限,實(shí)現(xiàn)了梁直徑和相對密度的可控可調(diào)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,銅納米梁晶格的能量吸收密度超越了已有納米梁晶格,刷新了納米梁晶格超材料的能量吸收阿什比圖。此外,金和銅納米梁晶格在密度不到塊體材料一半的情況下,其屈服強(qiáng)度超過了其對應(yīng)的塊體材料。研究人員進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)和模擬揭示了其超常力學(xué)性能主要源自于尺寸效應(yīng)、準(zhǔn)體心立方幾何構(gòu)型和金屬良好延展性的協(xié)同作用。
該研究證明了金和銅準(zhǔn)體心立方納米梁晶格具有優(yōu)異的能量吸收能力和抗壓強(qiáng)度,加深了對納米梁晶格力學(xué)性質(zhì)的理解;同時實(shí)現(xiàn)了核徑跡技術(shù)在納米結(jié)構(gòu)超材料研究中的應(yīng)用,為探尋超高能量吸收密度的納米梁晶格提供了一個新的思路。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金聯(lián)合重點(diǎn)項(xiàng)目和中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計劃的支持。
文章鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-023-36965-4
圖1:金和銅準(zhǔn)體心立方納米梁晶格和已報道的微/納米梁晶格力學(xué)超材料的單位體積能量吸收與密度的阿什比圖(圖源/近代物理所)
圖2:準(zhǔn)體心立方納米梁晶格SEM圖片(圖源/近代物理所)
?。{米材料室 供稿)