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香港城市大學(xué): 3D打印中熵合金超材料,破解極端沖擊難題

時(shí)間:2025-05-23 09:19 來(lái)源:科研新知 作者:admin 閱讀:

      在航空航天領(lǐng)域,對(duì)材料的輕質(zhì)、高強(qiáng)度和抗沖擊性能要求極高。殼基微架構(gòu)多組元合金能夠滿足這些要求,可用于制造飛機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)部件、航天器的防護(hù)罩等,有助于提高飛行器的安全性和性能,同時(shí)降低其重量,從而減少燃料消耗和運(yùn)營(yíng)成本。在高端裝備制造領(lǐng)域,如機(jī)械制造、電子設(shè)備制造等,該合金可用于制造高精度、高性能的機(jī)械零部件和電子設(shè)備外殼等,提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性,延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命,降低設(shè)備的維護(hù)成本。”
 


       機(jī)械超材料通過融合輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理與獨(dú)特變形機(jī)制可實(shí)現(xiàn)極端力學(xué)性能。然而,現(xiàn)有研究多聚焦于其準(zhǔn)靜態(tài)特性,而在實(shí)際應(yīng)用相關(guān)的宏觀尺度下,材料在極端動(dòng)態(tài)條件下的行為機(jī)制仍屬研究盲區(qū)。本研究提出一種融合殼基微架構(gòu)與低堆垛層錯(cuò)能(SFE)的金屬3D打印中熵合金(MEA)的協(xié)同策略,實(shí)現(xiàn)了宏觀尺度下的極端沖擊耗散。研究表明:相較于傳統(tǒng)桁架結(jié)構(gòu)形態(tài),殼基架構(gòu)能將超材料的有效動(dòng)態(tài)應(yīng)力提升一個(gè)量級(jí),從而更早觸發(fā)合金的多尺度增韌機(jī)制;中熵合金的低堆垛層錯(cuò)能特性支持多類型晶體缺陷的協(xié)同演化,使其應(yīng)變硬化行為在跨越七個(gè)數(shù)量級(jí)的應(yīng)變速率范圍內(nèi)持續(xù)有效。這些基礎(chǔ)性見解為開發(fā)可工程化應(yīng)用的輕質(zhì)抗沖擊超材料體系,特別是在重大裝備防護(hù)與國(guó)防安全領(lǐng)域奠定了理論基石。
 

Fig. 1. Fabrication and multiscale characterization of HR-SLM MEA microlattices across various strain rates


研究亮點(diǎn)解讀
(1)跨尺度能量耗散突破
基于自主研發(fā)高分辨率選擇性激光熔化(HR-SLM)技術(shù),成功制備輕質(zhì)CoCrNi中熵合金(MEA)微架構(gòu)超材料,其能量耗散性能跨越七個(gè)數(shù)量級(jí)應(yīng)變速率范圍(準(zhǔn)靜態(tài)至極端動(dòng)態(tài)),超越現(xiàn)有超材料與合金體系。

(2)協(xié)同機(jī)制創(chuàng)新
揭示殼基三周期極小曲面(TPMS)架構(gòu)與低堆垛層錯(cuò)能(SFE)合金的本征協(xié)同效應(yīng):
✔動(dòng)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)化:TPMS架構(gòu)通過增強(qiáng)慣性響應(yīng),使動(dòng)態(tài)應(yīng)力較傳統(tǒng)桁架結(jié)構(gòu)提升量級(jí),提前激活合金增韌機(jī)制;
✔多缺陷協(xié)同演化:HR-SLM工藝誘導(dǎo)的高密度位錯(cuò)胞與低SFE介導(dǎo)的層錯(cuò)/孿晶多尺度變形機(jī)制協(xié)同作用,實(shí)現(xiàn)寬應(yīng)變率域持續(xù)應(yīng)變硬化。

(3)多模態(tài)機(jī)理解析
結(jié)合顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描(μCT)、電子背散射衍射(EBSD)、高分辨透射電鏡(HRTEM)與有限元分析(FEA),首次建立增材制造多組元合金動(dòng)態(tài)增韌機(jī)制與三維超材料沖擊響應(yīng)的跨尺度關(guān)聯(lián)。

(4)工程化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
提出抗沖擊超材料三大核心參數(shù):
✔大應(yīng)變致密化優(yōu)化:通過結(jié)構(gòu)自接觸最大化塑性耗散;
✔慣性響應(yīng)調(diào)控:強(qiáng)化應(yīng)變速率敏感的動(dòng)態(tài)應(yīng)力場(chǎng);
✔低SFE材料設(shè)計(jì):促進(jìn)多類型缺陷持續(xù)演化以延長(zhǎng)硬化區(qū)間。

(5)應(yīng)用范式革新
為國(guó)防裝備、航空航天及汽車工業(yè)的輕量化抗沖擊結(jié)構(gòu)提供逆向設(shè)計(jì)框架,填補(bǔ)宏觀尺度超材料動(dòng)態(tài)力學(xué)行為研究的理論空白。

 

Fig. 2. Quasi-static mechanical characterization of HR-SLM MEA microlattices


文章總結(jié)
本研究通過自主研發(fā)的高分辨率選擇性激光熔化(HR-SLS)系統(tǒng)研制出CoCrNi中熵合金(MEA)輕質(zhì)微架構(gòu)超材料,其在寬應(yīng)變速率范圍(跨越七個(gè)數(shù)量級(jí))內(nèi)展現(xiàn)出超常規(guī)能量耗散能力,性能指標(biāo)顯著優(yōu)于現(xiàn)有超材料及合金體系。該研究成功建立了兩個(gè)傳統(tǒng)獨(dú)立研究方向——沖擊載荷下的三維超材料力學(xué)行為與增材制造多組元合金的極端動(dòng)態(tài)增韌機(jī)制——之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。結(jié)合失效后的顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描(μCT)三維重構(gòu)、電子背散射衍射(EBSD)、高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)及有限元分析(FEA),揭示了HR-SLM制備的中熵合金本征耗能機(jī)制與超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)間的協(xié)同作用規(guī)律。研究表明:相較于桁架結(jié)構(gòu),基于三周期極小曲面(TPMS)的構(gòu)型在動(dòng)態(tài)加載下可產(chǎn)生更顯著的慣性響應(yīng),使得材料在特定應(yīng)變速率下具有更高的動(dòng)態(tài)應(yīng)力水平,從而提前激活低堆垛層錯(cuò)能(SFE)合金的增韌機(jī)制。該工作不僅證明了殼基微架構(gòu)多組元合金作為宏觀尺度高性能抗沖擊材料的可行性,更為這一研究匱乏的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為研究提供了機(jī)理層面的新認(rèn)知。相關(guān)發(fā)現(xiàn)可為多應(yīng)變速率下兼具輕量化與高抗損傷特性的新一代機(jī)械超材料提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

 

Fig. 3. Dynamic testing and architecture-induced dynamic toughening

 

Fig. 4. Quasi-static and dynamic performance comparison of our HR-SLM MEA microlattices against existing micro-architected metamaterials and metals/alloys


論文信息
文章標(biāo)題:Exploiting multiscale dynamic toughening in multicomponent alloy metamaterials for extreme impact mitigation


https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt0589期刊:Science Advances
DOI: 10.1126/sciadv.adt0589

發(fā)表日期:2025年5月7日


 

(責(zé)任編輯:admin)

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