《Nature Commun》：揭秘多晶宏观点阵结构材料的强化机制！

编辑推荐：以金属晶体结构为灵感而设计的宏观金属架构材料具有极优的损伤容限，然而此材料的强化机理尚不明确。本文系统地探究了金属架构材料的强化机理，为自由调节材料强度及控制材料的局部变形提供了理论基础。

金属架构材料内部结构有序但不密实，具有轻质、高承重能力、高冲击能量吸收能力的优点，因而被广泛用于航空、汽车、医疗器件等领域。由周期性结构单元以及撑杆构成的宏观点阵材料是金属构架材料中的一种，这种点阵结构材料一般具有单一的结构取向。但是这种结构存在一个明显的问题，当材料达到屈服强度以后，剪切带的形成及其快速扩展会极大地降低了材料的强度。

为了解决单一取向点阵材料的强度骤减问题，来自英国帝国理工学院材料系的Chen Liu等以多晶金属材料的结构为灵感，设计出多取向宏观点阵材料。通过增加单位体积内点阵单元的个数以及调节撑杆在接触点之间的连接方式，制备出了高强度、高耐压的宏观多晶点阵金属材料。相关论文以题为“The origin of the boundary strengthening in polycrystal-inspired architected materials”发表在Nature Communications。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-021-24886-z

本研究以金属材料多晶结构为灵感，选取面心立方作为研究结构，利用熔融沉积制造的方法制备出宏观多晶点阵结构材料。类似于多晶金属中包含随机取向的晶粒，宏观多晶点阵结构材料内部由不同取向的点阵单元组成。每个点阵单元内部材料的取向一致，点阵单元之间的连接部分称之为边界。通过压缩力学性能测试以及有限元分析探究材料塑性变形及失效的机理。研究发现，剪切带的形成及其快速扩展是单一取向点阵材料失效的主要原因，而多晶点阵结构材料中的边界可阻碍剪切带的快速传播并可能够改变其传播方向，从而可有效地阻止材料的严重失效。

基于此，研究者进一步探究了宏观多晶点阵结构材料中边界的密度对材料强度的影响。为了实现此目的，研究者通过减小点阵结构单元的尺寸来提高单位体积内结构单元的数量，进而增大边界的面积。结果发现增加边界面积能有效提高材料的强度与抗压能力，并且可以将剪切带均匀地分散在材料内部，从而可以尽量避免因应力集中而引发的失效，这类似于金属材料中的细晶强化。研究者还发现，边界处撑杆的连接方式也影响材料的整体强度。当撑杆的连接方式为倾斜连接时，材料的整体强度较高。

图1 单一取向的宏观面心立方点阵材料的压缩测试实验结果。

图2 理论分析及有限元分析。

图3 单一取向和二元取向点阵材料的力学性能检测结果比较。

图4不同点阵单元含量的材料力学性能测试结果。

图5多晶宏观点阵材料的形变行为及模型解释。

图6点阵材料的强化机理与边界连接方式的关系。

由此可见，多晶宏观点阵结构材料的边界可阻碍剪切带的快速传播并改变其传播方向，从而提高了材料的强度。本实验的研究结果可以扩展到其他的宏观单元结构材料之中，为其结构的设计以及强度的提高提供了理论依据。此外，类似于多晶金属材料，多晶宏观点阵结构材料通过减小点阵单元的尺寸可以大大降低材料的各向异性，为材料在复杂力场下的应用提供了可能。（文：坚持、水生）