学者开发出增材制造高强韧金属玻璃仿生结构

　　理工大学与香港中文大学，在国家自然科学基金等项目的资助下，利用微激光粉末床融合技术，采用锆基非晶粉末成功制造出四种仿生三周期极小曲面非晶合金结构。这些结构实现了特征尺寸小于100微米的超高制造精度。近日，相关成果发表于《材料快报》（

　　该研究显示，其中两种三周期极小曲面结构的能量吸收能力超过30 kJ/kg，比强度达到0.08 MPakg-1m3。通过对断口形貌的分析，以及借助数字体积有关技术的深入研究，团队提出了三周期极小曲面非晶结构在宏观和微观层面上的混合增韧机制。

　　为了深入揭示非晶合金在断裂失效过程中内部变形机制的演化，该研究创新性地采用原位压缩X-CT（X射线计算机断层成像）技术，对结构在不同失效阶段的内部相互作用机制进行表征与分析。研究对象包括1-D非晶结构和1-IWP非晶结构，其原位力-位移曲线显示出相似的应力变化趋势。在1-D结构中，截面显示出一条沿对角线方向的裂纹带。然而，三维应变图表明，该对角线裂纹虽然破坏了结构的大部分区域，但并未贯穿整个体积，而是在靠近底部的位置停止。在后续压缩过程中，裂纹未沿原路径扩展，而是沿另一对角线方向萌生了新的裂纹带。这种裂纹的多方向扩展干扰了主裂纹的贯通性，阻止了灾难性失效的发生，同时对后续应力水平产生了重要影响。

　　为了进一步理解这一裂纹扩展机制，研究利用有限元方法模拟了首次断裂后结构中的应力分布。结果显示，应力集中区域位于大致垂直于原裂纹平面的区域，而原裂纹尖端周围的应力水平相比来说较低，这与原位压缩试验中观察到的二次裂纹形成现象高度一致。这种裂纹扩展行为符合典型脆性材料的失效机理。在最后的变形阶段，另一个显著转折点出现：应力水平未降低反而上升。此阶段产生了一条平行的损伤带。实验表明，这种损伤带对提高能量吸收能力至关重要。该损伤带在微裂纹的累积与持续压缩作用下逐步形成，导致断裂碎片嵌入多孔结构中，实现了结构的进一步致密化。

　　位移矢量图显示，断裂面上下两部分的位移矢量方向相反，均向断裂面汇聚。这种对称运动压缩了中央平行破坏带，促进碎片化和能量耗散的高效进行。相比之下，1-IWP非晶结构在压缩过程中表现出类似韧性材料的高平原应力区间，展现了出色的能量吸收能力。其逐层塌陷的失效模式有很大成效避免了贯穿整个结构的大裂纹带形成，从而避免了应力的骤降现象。损伤带最初形成的痕迹相对分散，使得大范围损伤难以产生，但这也带来了结构变形的均匀性。通过观察压缩后样品结构，不难发现红色阴影区域的大碎片被周围完整结构所阻塞，同时在未受损区域形成了大量剪切带。这些阻塞区使得损伤带周围的应力状态变得复杂而不均匀，更加有助于剪切带的成核，从而在微观尺度上更大程度的激发非晶合金的局限塑性。

　　仿生非晶结构通过损伤带和剪切带有效耗散能量，可控的裂纹扩展极大程度地提高了其能量吸收能力，同时在某些特定的程度上激发了非晶合金有限的塑性，两者协同作用提升了其损伤容限。该研究为克服强度-塑性权衡提供了一种新方法，为开发具有非常出色能量吸收能力的高强度结构非晶合金开辟了新路径，在能量吸收相关领域展现出广阔的应用前景。

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