日前，针对航空航天、精密仪器等领域对于材料减震、吸能等方面的性能需求，中科院金属研究所（以下简称金属所）与美国加州大学伯克利分校、中国工程物理研究院开展合作，借鉴天然生物材料三维互穿微观结构的理念，将镁熔融浸渗至增材制造的镍钛合金骨架，构筑成轻质、高强、高阻尼、高吸能镁—镍钛仿生复合材料。相关研究成果近日发表于《科学进展》。

       金属所研究员刘增乾表示，科研团队对自然界“结构—性能关系”的理解，为设计综合性能优异的新材料提供了独到的思路。

       据悉，与人造材料相比，天然生物材料的宏观力学性能通常显著优于其基本结构单元的简单加和，本源在于其复杂、多尺度的自组装结构。

       除了高比强度、比刚度以及优异的导热与电磁屏蔽等性能，镁的阻尼性能显著优于大多数工程金属材料，甚至可比肩一些常用的高分子材料，但其强度与耐热性明显高于高分子材料，因此在减震、吸能、降噪等方面突显优势。


       微观三维互穿仿生结构不仅实现了镍钛增强相与镁基体在性能优势上的互补与结合，而且赋予材料形状记忆与自修复功能。首先，组成相在三维空间相互穿插有利于促进相互间的应力传递，弱化应力集中，使两相的变形更加协调，更好地发挥了镍钛增强相的强化效果，仿生复合材料的强度显著高于基于混合定律的简单叠加（见图2）。其次，仿生复合材料中基体与增强相之间不仅依靠界面的冶金结合，而且存在三维穿插的机械互锁，有效地避免了因界面开裂造成的过早失效，赋予材料良好的损伤容限。再次，仿生复合材料中组成相在三维空间的贯通，不仅充分保留了镁基体的阻尼性能，而且两相之间的弱界面结合可引入微屈服、微裂纹等新的阻尼机制，进一步提高阻尼性能。此外，在特定温度范围（>150℃），镍钛增强相骨架的形状记忆效应与镁基体的蠕变行为具有耦合效应，镍钛的回复应力远高于基体的蠕变应力，使得形变损伤后的仿生复合材料可通过常规热处理恢复其初始形状和强度，达到形状记忆兼具自修复功能的双重效果，并且可往复循环利用（见图3）。


       通过多重机制分别提高强度和阻尼性能，新型仿生复合材料突破了两者之间的相互制约关系，实现了镁合金的强度、阻尼和能量吸收效率等多种性能的良好结合，综合性能优于目前已知的工程材料（见图4），有望成为精密仪器、航空航天等领域需求的新型阻尼减震材料。


       上述工作于近日发表在《Science Advances》6 (2020) eaba5581（文章链接：https://advances.sciencemag.org/content/6/19/eaba5581），文章第一作者为中国科学院金属研究所博士研究生张明阳。相关工作得到了国家自然科学基金、“兴辽英才计划”和中国科学院前沿科学重点研究计划等项目的资助。

       “镁及其合金的强度、刚度、塑性和断裂韧性仍低于钢铁和铝合金，且抗高温蠕变能力差，制约了其广泛应用。”刘增乾说，科研团队利用微观三维互穿仿生结构研制出新型仿生复合材料，不仅实现了镍钛增强相与镁基体在性能优势上的互补与结合，而且赋予材料形状记忆与自修复功能。

       新型仿生复合材料通过多重机制分别提高强度和阻尼性能，突破了两者之间的相互制约关系，实现了镁合金的强度、阻尼和能量吸收效率等多种性能的良好结合，综合性能优于目前已知的工程材料，有望成为精密仪器、航空航天等领域需求的新型阻尼减震材料。