Nature Communications: 由金和铜独立准BCC纳米晶格制成的具有超高能量吸收能力

Bruker Nano Surfaces

2024/07/19 14:18

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内容简介

超材料是一种经过设计的复合材料，由周期性或非周期性排列的结构单元组成，展现出超越传统块体材料的性能和独特功能。其中，能量吸收型机械超材料引起了极大的关注，因为高效吸收机械能对于许多应用来说至关重要。

理想的能量吸收材料应该同时具备高强度和卓越的能量吸收能力，以抵抗机械冲击，而且最好重量轻、体积小。但在大多数情况下，这些特性是相互矛盾的，即高屈服或断裂强度通常是以牺牲大应变能力为代价获得的，反之亦然，这一点在块体陶瓷中得到了很好的体现。为了解决这个问题，人们通过巧妙的结构设计和材料组合引入了超材料。对于机械超材料来说，其能量吸收能力主要取决于材料的特性，包括尺寸和微观结构带来的增强，以及结构设计。梁结构的出现，如纳米晶格结构，为超轻材料提供了广泛且多样的三维设计可能性。这些材料具有高刚度，大的变形能力和可恢复性，以及极高的比强度。同时，通过结构的优化设计，这些材料可以得到额外的强化，可能具有更高的能量吸收能力。

针对能量吸收型机械超材料的研究，中国科学院近代物理研究所的Jinglai Duan等研究人员，展示了具有出色强度和能量吸收能力的纳米梁结构机械超材料。作者采用Bruker PI88原位纳米力学测量系统，在扫描电子显微镜（SEM）中对这些纳米晶格超材料进行了原位机械性能的高精度测试，揭示出这类超材料的高强度和超高的能量吸收能力。

相关成果Mechanical metamaterials made of freestanding quasi-BCC nanolattices of gold and copper with ultra-high energy absorption capacity于2023年3月发表于Nature Communications上。

研究结果和讨论

图1 金准BCC纳米晶格的制备及形态表征。a 多角度离子照射。b 离子径迹化学蚀刻。c 电化学沉积金。d 准BCC纳米晶格。e 准BCC纳米晶格样品照片。f 低放大倍数下的金准BCC纳米晶格SEM图像。g 准BCC纳米晶格横截面的SEM图像。h 高放大倍数下的准BCC纳米晶格SEM图像。

作者通过离子径迹技术，制备了具有不同纳米梁直径的金准BCC纳米晶格（见图1），包括直径为117 ± 5 nm、86 ± 4 nm、69 ± 4 nm和34 ± 2 nm的样品，相对密度分别为0.48、0.29、0.20和0.49。作者还制备了一个相对密度为0.49的直径为34 ± 2 nm的铜准BCC纳米晶格。通过显微镜观察，可以观察到这些样品的形态特征，从毫米级的整个样品到纳米级的纳米梁直径，跨越了五个数量级的尺度。纳米梁之间的连接是随机的，形成了全节点偏移的准BCC结构。每个纳米梁都具有直且平滑的轮廓。

图2 金和铜准BCC纳米晶格的压缩测试。a 样品Au-69形变过程的SEM快照。b 金和铜准BCC纳米晶格的应力-应变曲线，分别为样品Au-117、Au-86、Au-69、Au-34和Cu-34。c 金和铜准BCC纳米晶格的压缩刚度与相对密度的关系，d 金和铜准BCC纳米晶格的压缩强度与相对密度的关系。

作者进一步采用Bruker PI88原位纳米力学测量系统，对准BCC纳米晶格进行了压缩测试（见图2）。通过测试，作者研究了这些准BCC纳米晶格的力学特性。实验结果显示，在 0.001 s−1的应变速率下，纳米晶格在经历80%的压缩应变时仍能保持连续的变形，这与完美周期性纳米晶格的瞬间坍塌形成鲜明对比。所有样品的应力-应变曲线在图2b中展示，其力学响应通常经历三个阶段：弹性阶段、平台阶段和致密化阶段。压缩刚度E和压缩强度σ与相对密度ρ的关系分别在图2c和d中表示。对于具有相同面积密度（7.1 × 108 × 4 cm-2）和不同纳米梁直径的金准BCC纳米晶格，E与相对密度ρ的2.2次方成正比，这基本符合Ashby公式预测的平方关系。通过这个关系，可以预测特定相对密度和面积密度下准BCC纳米晶格的压缩刚度。对于具有相同面积密度的金准BCC纳米晶格，压缩强度σ与相对密度ρ的关系为σ ~ ρ2.4，这与Gibson-Ashby定律预测的σ ~ ρ1.5不同。E、σ与Ashby理论预测之间的差异主要归因于准BCC纳米晶格结构中的节点偏移效应。节点偏移导致了材料强度和塑性的增加。值得注意的是，尽管具有相同的纳米梁直径和相对密度，但直径为34 nm的Au-34准BCC纳米晶格的强度和刚度几乎分别是直径为117 nm的Au-117准BCC纳米晶格的两倍。强度的增加可以归因于尺寸效应，这与先前研究一致。然而，刚度的增加并非来自尺寸效应，模拟显示两个样品的刚度没有差异。Au-34的刚度增加主要归因于两个样品表面粗糙度的差异。通过分析，粗糙度较小的样品具有更高的刚度，因此，Au-34的刚度增加应归功于表面粗糙度的减小，而非尺寸效应。

图3 金和铜准BCC纳米晶格以及先前报道的微/纳米晶格超材料的单位体积能量吸收与密度的Ashby图。

为了进一步了解准BCC纳米晶格的准静态压缩过程，作者进行了有限元模拟和理论分析。作者研究了准 BCC 纳米晶格中偏移节点对其力学性能的影响。结果显示，与已报道的八面体结构相比，这种偏移对准BCC纳米晶格的性能影响更大。此外，模拟还探讨了接触状态和表面粗糙度对刚度和强度的影响。结果表明，接触状态和表面粗糙度对刚度有明显影响，但对强度影响有限。

材料吸收的能量是应变能量，定义为应力-应变响应的积分，即应力-应变曲线下的面积。与先前的微纳米晶格相比，金和铜准BCC纳米晶格表现出更高的能量吸收能力（见图3）。金和铜准BCC纳米晶格由纳米级的实心梁构成，在压缩时能表现出大的连续应变和高压缩强度，从而实现高能量吸收密度，达到100 ± 6 MJ m-3（金准BCC纳米晶格）和110 ± 10 MJ m-3（铜准BCC纳米晶格），超过了大多数微纳米晶格材料，且比具有相似密度的天然多孔材料的能量吸收能力高1到3个数量级。

总结

作者采用Bruker PI88原位纳米力学测量系统，在扫描电子显微镜（SEM）中对纳米晶格超材料进行了原位机械性能的高精度测试。结合有限元模拟和理论分析，作者对金和铜准BCC纳米晶格的机械性能进行了深入研究。该工作表明，金和铜准BCC纳米晶格具有卓越的压缩强度和能量吸收能力，这主要归因于金属固有的高机械强度和塑性、尺寸减小带来的机械性能增强，以及准BCC纳米晶格的结构特性。这项工作为设计和制造具有高强度、高能量吸收、高电导率和热导率的轻质多孔金属提供了启示。