3D科学谷洞察
“ 机械超材料是经过拓扑工程设计的三维结构，通常通过增材制造工艺生产，已成为一种优于传统随机泡沫或气凝胶的优质轻质和增韧策略。特别是金属晶格因其能够将金属/合金增韧机制与坚硬且高强度的结构相结合，实现低密度、高强度和能量耗散的出色组合而备受关注。”
轻质多孔材料因其能够有效耗散冲击能量，在防护系统中数个世纪以来都发挥着不可或缺的作用，但其随机性限制了力学性能的可调节性，为其能量耗散能力设定了上限。
增材制造（通常称为三维（3D）打印）的出现，一方面为制造具有复杂几何形状和独特微观结构的零件提供了前所未有的自由度，另一方面具有直接可用性，使得制造几乎无需后处理的即用型零件成为可能，这与传统制造需要通过铸造或机械加工来成型有所不同。因此，机械超材料（本质上是经过拓扑工程设计的三维结构，通常通过增材制造工艺生产）已成为一种优于传统随机泡沫或气凝胶的优质轻质和增韧策略。
特别是，金属晶格因其能够将金属/合金增韧机制与坚硬且高强度的结构相结合，实现低密度、高强度和能量耗散的出色组合而备受关注。然而，现有的关于机械超材料的研究主要集中在表征具有少量镶嵌结构的准静态特性上，这限制了这些材料系统的充分应用。
【成果速览】
机械超材料能够利用轻质结构设计原理和独特的变形机制，实现卓越的性能。然而，目前的研究主要集中在其准静态特性上，对于其在极端动态条件下的行为，尤其是在与实际应用相关的长度尺度下的行为，在很大程度上仍未得到充分探索。
在此，香港城市大学陆洋教授、香港中文大学宋旭教授带领团队提出一种新策略，通过自主研发的高分辨率选择性激光熔化（HR-SLM）系统，将基于壳结构与增材制造的具有低层错能的中熵合金（MEA）相结合，在宏观尺度上实现极致的冲击缓解效果。
值得注意的是，与基于桁架的形态相比，基于壳结构放大了超材料内的有效动态应力，从而促使合金中多尺度增韧机制更早地被激活。中熵合金的低层错能使其能够演化出多种类型的缺陷，从而在应变率上跨越七个数量级的范围内延长应变硬化行为。这些基本见解可以为开发适用于结构和国防应用的可扩展、轻质、抗冲击的超材料奠定基础。
相关成果以「Exploiting multiscale dynamic toughening in multicomponent alloy metamaterials for extreme impact mitigation」为题刊登在Science Advances上。
【数据概况】
图1. HR-SLM MEA微晶格在不同应变率下的制备与多尺度表征。
图2. HR-SLM MEA微晶格的准静态力学表征。
图3. 动态测试以及架构诱导的动态增韧。
图4. 不同应变率下CoCrNi MEA微晶格的分层变形机制。
图5. HR-SLM MEA微晶格与现有微结构超材料以及金属/合金的准静态和动态性能对比。
【结论展望】
总之，研究人员通过定制的HR-SLM系统，制备出三维CoCrNi MEA微晶格，其在准静态和动态状态下（涵盖了七个数量级的应变率范围）都展现出了超高的能量耗散能力。结构特征之间的协同作用，尤其是基于壳状的结构相较于基于桁架的结构所具有的优势，以及源自中熵合金成分和高分辨率选择性激光熔化工艺的本征增韧机制，使得其比已报道的微晶格和金属材料具有更高的比能量耗散能力。
具体而言，研究人员确定了三个主要的设计参数，这些参数有助于相关领域在金属超材料中实现弹丸冲击下的高能量耗散：(i)在大应变压实阶段，最大化自接触和塑性耗散；(ii)优化惯性响应，以放大超材料内的动态应力，并增强与应变率相关的材料性能；(iii)最小化层错能，从而实现多尺度变形机制的持续演化，该机制与高分辨率选择性激光熔化所诱导的高密度位错胞相互作用，进而耗散能量，并在多个应变率下延长应变硬化行为。
总体而言，该研究不仅为在宏观尺度样本下实现超高的动态能量耗散性能提供了一条途径，还为理解金属超材料中结构诱导、（制造）工艺诱导以及材料诱导的变形机制之间的复杂关系奠定了基础。这些知识为超材料的逆向设计开辟了道路，特别是在为国防、航空航天和汽车领域的轻质防撞应用量身定制动态响应方面。
原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt0589
来源
材料设计 l
Sci. Adv.丨港城大/港中文：壳结构中熵合金超材料攻克极端冲击难题，跨七量级应变率实现能耗新极限
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