清华在力学结构超材料研究取得重要进展

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　　近日，清华大学航天航空学院李晓雁课题组，与中国科学院金属所、美国布朗大学以及大连理工大学合作，在力学结构超材料研方面究取得重要进展。

　　清华大学航天航空学院李晓雁课题组，与中国科学院金属所、美国布朗大学以及大连理工大学合作，在《纳米快报》(Nano Letters) 发表了题为《克服强度-可恢复性制约的三维高熵合金—聚合物复合纳米点阵超材料》 (Three-Dimensional High-Entropy Alloy–Polymer Composite Nanolattices That Overcome the Strength–Recoverability Trade-off) 的研究论文。该论文设计并制备了一种由高熵合金和聚合物组成的复合纳米点阵超材料。该点阵材料兼具高强度和良好的可恢复性，克服了早先所有微纳米点阵材料的强度与可恢复性之间相互制约的问题。

　　三维微纳米点阵材料具有优异的力学性能，如低密度、高刚度等。但是，现有的微纳米点阵材料的强度与可恢复性之间存在着相互约束，即高强度的点阵材料通常表现为脆性，而可恢复性能好的点阵材料的强度较低。这一强度与可恢复性的制约在很大程度上限制了微纳米点阵材料在能量存储和机械致动等领域的应用潜力。

　　复合纳米点阵材料克服了传统微纳米点阵材料的强度与可恢复性之间的相互制约

　　李晓雁课题组提出了一种基于复合材料的设计方案，解决上述难题。该设计方案首先采用了先进的纳米尺度增材制造技术(三维双光子光刻激光直写)直接打印高弹性聚合物材料组成的纳米点阵结构(最小特征尺寸约为260nm)，然后通过磁控溅射手段将具有高强度的高熵合金材料均匀镀层在聚合物骨架的表面(厚度仅为14.2-126.1nm)，从而实现了“1+1>2”的优异力学性能。该纳米点阵不仅保有聚合物材料的高弹性和良好的可恢复性，而且由于高熵合金纳米镀膜的存在，使得该纳米点阵兼具高强度的优点，从而使得该复合纳米点阵材料克服了早先微纳米点阵材料具有的强度与可恢复性之间相互制约的问题。

　　(a-h)复合纳米点阵材料的原位电镜压缩实验;

　　(i,j)复合纳米点阵材料的比强度、单位体积能量吸收与其他微纳米多孔材料的比较

　　在论文中，研究团队首先展示了该复合纳米点阵材料的制备和微结构及其力学性能表征。通过原位扫描电镜压缩实验证实了复合纳米点阵材料同时具有高的强度和良好的可恢复性。该纳米点阵结构的比强度高达0.027MPa/kg·m3，最大压缩应变超过50%仍然可以实现几乎完全恢复，且单位体积能量吸收高达4.0MJ/m3，这一数值比自然界具有相同密度的多孔材料高1-3个数量级。研究结果同时表明，随着高熵合金镀层厚度的增加，压缩过程中主要变形机制发生从局部屈曲到脆性断裂的转变。当厚度介于14.2-50.0nm之间时，复合纳米点阵材料的比模量和比强度达到极大。

　　近年来，李晓雁副教授研究团队主要从事新型微纳米结构材料力学行为和力学性能的研究，在相关领域取得了多项重要的成果。相关工作发表在《自然材料》(Nature Materials)、《自然通讯》(Nature Communications)、《科学进展》(Science Advances)、《先进材料》(Advanced Materials) 等期刊上。

　　清华大学航院李晓雁副教授、中科院金属所姚佳昊副研究员、李毅研究员和美国布朗大学高华健教授为本文的共同通讯作者。清华大学航院2013级博士生张璇为本文第一作者。

　　论文链接：
　　https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b01241

　　来源：清华大学公众号(ID：THU1911-BJ)