據(jù)designnews網(wǎng)站2019年3月15日刊文，英國倫敦帝國學院研究人員通過模仿高強金屬合金中更不規(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，如更高強度，更輕重量以及更強抗應(yīng)力損傷能力。
在材料科學中，以模仿自然的結(jié)構(gòu)形式來設(shè)計材料，通常可以產(chǎn)生更好的結(jié)果，例如更高的強度和更輕的重量。典型的設(shè)計材料由“單元格”構(gòu)成，這些單元格的排列按相同方向規(guī)律排列，如具有重復節(jié)點和桁架的網(wǎng)格(類似于金屬單晶的排列：晶格中的節(jié)點等同于單晶中的原子，桁架相當于原子鍵)。
雖然這種類型的單晶材料非常適合高溫應(yīng)用，但其抗機械應(yīng)力性能并不是很好。當材料過載時，可能出現(xiàn)局部的高應(yīng)力帶(“剪切帶”)，導致材料以裂縫的形式發(fā)生高度局部變形，最終導致材料破壞。該團隊的研究報告“受晶體微觀結(jié)構(gòu)啟發(fā)的耐損傷的設(shè)計材料”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院材料系和謝菲爾德大學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)點排列組成。
使用計算機輔助設(shè)計包，該團隊隨后能夠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。團隊發(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度。這些材料也可以以特定的預定結(jié)構(gòu)路徑引導損傷的方式產(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)動機或渦輪葉片中的風扇葉片。
晶格設(shè)計多次強化材料
為了達到研究目的，該團隊使用熔融沉積建模，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)計方法可以多次應(yīng)用來增加設(shè)計材料的強度。
“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)一個計算平臺，以實現(xiàn)最優(yōu)的多晶格取向。
該技術(shù)是一種創(chuàng)造復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)備或昂貴的飛機部件。該團隊還認為，創(chuàng)建晶體金屬合金的新方法將帶來新的實驗和計算研究，為晶體內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計和理解帶來提升。
展望未來，研究人員希望利用這項技術(shù)開發(fā)出一種輕質(zhì)，堅固耐用且智能的新型材料。
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