撰稿| 由课题组供稿
导读
近年来，力学超材料，特别是金属微点阵(microlattice)材料，充分利用结构、尺寸效应和固有的微结构特征之间的协同效应来突破传统结构材料的机械性能（例如强度和密度）之间的耦合，在小型航空器、无人机/船载具、微机械/机电系统上具有很好的应用前景。然而，此前报道的高比强度金属、陶瓷和热解碳等微点阵力学超材料，由于局部构造的脆性，在应用场景下的反复加载后均显示出部分的断裂以及显著的机械性能下降，限制了其实际长期可靠的结构应用。
图1 中熵合金微点阵力学超材料 《Materials Today》 2021年第一期封面文章
有鉴于此，香港城市大学深圳研究院纳米制造实验室及机械工程学系陆洋与研究团队设计并研发了具有极低层错能的CoCrNiTi0.1微合金化中熵合金（MEA），并以此制造了一种具有极高韧性的中熵合金复合微点阵材料。通过一系列比较和优化，发现当合金膜厚度约为30 nm时，利用金属的尺寸效应以及微合金化MEA的低层错能和高塑性变形能力，产生了一种前所未有的独特褶皱变形模式，并结合聚合物弹性核心可以反复承受超过50%的应变。
此外，由于金属膜的高强度，该复合微点阵同时可显示出超高能量吸收（高达60 MJ·m-3）和比强度（高达0.1 MPa· kg-1m-3）。相关研究结果作为封面文章发表在国际知名期刊《Materials Today》（影响因子 26.416）。
图2 中熵合金微点阵力学超材料的制备以及其多级结构
作者首先利用高精度微纳尺度光固化3D打印机制造出三维聚合物微点阵模板，通过磁控共溅射的方法，在聚合物表面沉积上一层厚度为30, 100和200nm的中熵合金薄膜，加以比较分析，以及优化，最终制备出一种最优的新型多级金属复合微点阵力学超材料。
图3 中熵合金微点阵力学超材料原位压缩和循环测试
在这项工作中，作者通过设计具有超低层错能的微合金化CoCrNiTi0.1 MEA并同时优化八角晶格结构和薄膜厚度，证明了有效抑制金属微点阵中结构断裂的可能性。由于独特的表面褶皱现象，微点阵晶格在具有较高的比强度同时具有无与伦比的韧性。另外，微点阵的核-壳结构由弹性聚合物核和可延展的中熵合金壳组成，大大提高了可恢复性，并在多次加载中实现出色的结构完整性。
图4 中熵合金微柱原位压缩和褶皱变形模式
为了进一步探究褶皱现象和微点阵超高韧性的根源，作者在具有相同中熵合金膜厚的微柱上进行了原位单轴压缩测试来模拟微点阵晶格中支杆的变形行为，并同时对中熵合金薄膜进行了微观结构表征。随着膜厚减小，褶皱形成临界应力下降，同时薄膜晶粒有高长径比的柱状晶转变成等轴晶，晶粒内部含有的大量纳米栾晶和层错进一步协调了塑性变形，表现出脆性的局部屈曲到韧性的整体褶皱变形机制的转变。
图5 本文中熵合金微点阵复合力学超材料（红色）与之前报道的一些力学超材料性能对比
综上所述，本文设计并制造了一种微合金化中熵合金微点阵复合力学超材料，并首次实现并利用金属薄膜和聚合物基体上发生的褶皱变形行为，从而最大限度地减少了在多次加载循环中离散的局部断裂，表现出前所未有优异的韧性、机械可恢复性，比强度等综合性能。这种新型的中熵合金微点阵力学超材料为设计和发展新型金属在微点阵力学超材料应用提供新的思路，并有望未来在航空航天，微电子器件及微型机器人等应用中发挥潜力。
文章链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702120303576
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