AM新研(yan)究：客家土樓(lou)“骨(gu)架-填(tian)充(chong)”結構(gou)啟發(fa)高(gao)強度納(na)米(mi)多(duo)孔(kong)銅(tong)超材(cai)料(liao)

上(shang)海(hai)交通大(da)學顧劍鋒長(chang)聘教(jiao)授(shou)聯合(he)RMIT馬(ma)前傑(jie)出教(jiao)授(shou)在《Advanced Materials》發(fa)表(biao)論(lun)文(wen)“Skeletal High-Strength Nanoporous Copper and Metamaterials: The Hakka Tulou Design Heritage"，從(cong)客家土樓(lou)“竹(zhu)木骨(gu)架—夯(hang)土墻體(ti)"的獨(du)特結構中(zhong)獲(huo)得靈感，提出“骨(gu)架型(xing)"納(na)米(mi)多(duo)孔(kong)銅(tong)的設(she)計(ji)理念。研(yan)究通過凝(ning)固偏析(xi)與選(xuan)擇(ze)性(xing)去合金工(gong)藝，構(gou)建(jian)出(chu)不可去合金化(hua)骨架與可(ke)去合金化(hua)基體(ti)相結合的多(duo)尺(chi)度結(jie)構，有效(xiao)提升(sheng)了材(cai)料(liao)的整(zheng)體強韌性(xing)與功能集(ji)成能(neng)力。該策(ce)略(lve)突破了傳統(tong)去合金技術(shu)在尺寸(cun)與完整(zheng)性(xing)上(shang)的限制(zhi)，為開(kai)發(fa)兼(jian)具高(gao)強度、輕(qing)質(zhi)性(xing)與多(duo)功能性(xing)的納(na)米(mi)多(duo)孔(kong)金屬超材(cai)料(liao)提供了新思路(lu)。

納(na)米(mi)多(duo)孔(kong)結構(gou)金屬因(yin)連通的納(na)米(mi)孔(kong)道而具備高比表面(mian)積與多(duo)功能潛力，但力學承(cheng)載能力(li)弱(ruo)與結(jie)構(gou)完整(zheng)性(xing)不足長(chang)期制(zhi)約其(qi)工(gong)程應(ying)用。本(ben)研(yan)究從(cong)客家土樓(lou)“竹(zhu)木骨(gu)架—夯(hang)土墻體(ti)"的長(chang)期耐久(jiu)性(xing)汲取(qu)啟發(fa)，提出在可去合金化(hua)基體(ti)中內(nei)嵌(qian)壹套(tao)不可去合金化(hua)、延展且(qie)強韌的三維(wei)骨架相(xiang)，將(jiang)多(duo)孔(kong)結構(gou)“分艙(cang)化(hua)"，把局部失效局域化(hua)，在保持結(jie)構功能孔隙(xi)優(you)勢的同(tong)時(shi)改善整(zheng)體承(cheng)載與完整(zheng)性(xing)。

圖(tu)1揭(jie)示(shi)了骨架型(xing)高(gao)強納(na)米(mi)多(duo)孔(kong)銅(tong)超材(cai)料(liao)的啟示(shi)來(lai)源。借(jie)助(zhu)“骨架相(xiang)—主(zhu)體(ti)相(xiang)"的空(kong)間協(xie)同(tong)，把傳統(tong)建(jian)築(zhu)中的“骨(gu)架支(zhi)撐/填充(chong)分艙(cang)"思想(xiang)，轉(zhuan)譯為納(na)米(mi)多(duo)孔(kong)銅(tong)的雙(shuang)相(xiang)前驅體設(she)計(ji)：去合金化(hua)後獲(huo)得“骨架支(zhi)撐 + 納(na)米(mi)孔(kong)道"的復合架構(gou)，實(shi)現(xian)功能孔隙(xi)與承(cheng)載路徑(jing)的解(jie)耦與互(hu)補。a圖(tu)展示(shi)了典(dian)型(xing)客家土樓(lou)；b圖(tu)是客家土樓(lou)的微(wei)小(xiao)單(dan)元(yuan)剖面(mian)示(shi)意，進壹步(bu)刻畫土樓(lou)墻體(ti)：骨架框(kuang)架嵌(qian)入壓(ya)實而仍(reng)含孔隙(xi)的土體(ti)；c圖(tu)將建(jian)築(zhu)原理映射到材(cai)料(liao)微(wei)結(jie)構(gou)。

圖(tu)2展示(shi)了去合金後的“土樓(lou)式(shi)"三維(wei)微(wei)結(jie)構(gou)。a圖(tu)是通過2500張(zhang)FIB-SEM圖(tu)像重(zhong)構得到的三維(wei)體，黃(huang)虛(xu)線代表(biao)不可去合金化(hua)的富Cu骨(gu)架相(xiang)，展示(shi)了其在微(wei)米(mi)尺(chi)度上(shang)的三維(wei)互連特征。b–d分別是(shi)該立方(fang)體(ti)的左(zuo)側、後側和底部表面(mian)切片(pian)的顯(xian)微(wei)結(jie)構(gou)視(shi)圖(tu)，進壹步證(zheng)明(ming)了骨架相(xiang)將(jiang)納(na)米(mi)多(duo)孔(kong)銅(tong)基(ji)體(ti)分隔為類(lei)似“分(fen)艙"的結(jie)構(gou)。

圖(tu)3描述了骨架的納(na)米(mi)多(duo)孔(kong)銅(tong)結(jie)構(gou)與無骨(gu)架的納(na)米(mi)多(duo)孔(kong)銅(tong)力(li)學(xue)結構在力學(xue)性(xing)能上(shang)的對比關(guan)系。a圖(tu)對比了兩(liang)類(lei)納(na)米(mi)多(duo)孔(kong)銅(tong)結(jie)構(gou)的壓(ya)縮(suo)應(ying)力(li)–應(ying)變曲線，帶(dai)骨架的曲線明顯(xian)更“高(gao)"，其(qi)屈(qu)服(fu)點和峰值(zhi)強度均顯(xian)著(zhu)高(gao)於無骨(gu)架樣品，說(shuo)明骨(gu)架在承(cheng)載中發(fa)揮(hui)了“承(cheng)重(zhong)墻"的作用。b圖(tu)進壹步給出了兩(liang)類(lei)納(na)米(mi)多(duo)孔(kong)銅(tong)的力(li)學(xue)指(zhi)標對比，其(qi)中骨(gu)架納(na)米(mi)多(duo)孔(kong)銅(tong)的屈(qu)服(fu)強度達到200.4±21.1 MPa，相比無骨(gu)架樣品提升(sheng)了62%；其峰值(zhi)強度達到239.3±35.0 MPa，提升(sheng)幅度高(gao)達(da)70%；而比強度則提升(sheng)了60%，達到60.7±6.5 MPa·cm³·g⁻¹。這(zhe)些具(ju)體(ti)數值(zhi)的對照，充(chong)分揭(jie)示(shi)了骨架設(she)計(ji)帶(dai)來(lai)的顯(xian)著(zhu)優(you)勢。c–d 圖(tu)則擴(kuo)展到與已(yi)有的其(qi)他(ta)納(na)米(mi)多(duo)孔(kong)金屬進(jin)行橫向比(bi)較，可以(yi)清晰(xi)看到，骨架納(na)米(mi)多(duo)孔(kong)銅(tong)不僅在強度參(can)數上(shang)遠超傳統的納(na)米(mi)多(duo)孔(kong)銅(tong)材(cai)料(liao)，而且性(xing)能還(hai)優(you)於壹(yi)些已(yi)經(jing)經(jing)過特殊結構(gou)設(she)計(ji)與優(you)化(hua)的多(duo)孔(kong)體系(xi)。同時(shi)，研(yan)究團隊還(hai)利(li)用摩(mo)方(fang)精密面(mian)投影微(wei)立(li)體(ti)光(guang)刻（PμSL）技(ji)術(shu)（microArch® S240，精度：10μm）制(zhi)備出多(duo)孔(kong)聚合(he)物拓(tuo)撲結(jie)構，研(yan)究骨(gu)架對裂紋擴(kuo)展的影(ying)響(xiang)（圖(tu)4）。

圖(tu)5呈現(xian)了骨架納(na)米(mi)多(duo)孔(kong)銅(tong)在宏觀點(dian)陣(zhen)結構(gou)中的力(li)學(xue)性(xing)能優(you)勢。a圖(tu)給出了樣品的CAD設(she)計(ji)圖(tu)和實際制(zhi)備後的實(shi)物照片(pian)，可(ke)以(yi)看到通過增(zeng)材(cai)制(zhi)造與選(xuan)擇(ze)性(xing)去合金工(gong)藝相(xiang)結合(he)，研(yan)究團隊成(cheng)功構築(zhu)了帶(dai)有骨(gu)架–納(na)米(mi)孔(kong)層級結(jie)構(gou)的點(dian)陣(zhen)結(jie)構。局部放(fang)大(da)的顯(xian)微(wei)圖(tu)進壹步揭(jie)示(shi)了骨架相(xiang)與納(na)米(mi)韌(ren)帶(dai)共同存(cun)在的層(ceng)級(ji)特征。c–d圖(tu)對比了兩(liang)類(lei)點陣(zhen)在單(dan)軸壓(ya)縮(suo)下(xia)的應(ying)力(li)–應(ying)變響(xiang)應(ying)。盡(jin)管(guan)兩(liang)者(zhe)在變形(xing)模(mo)式上(shang)類(lei)似，但(dan)帶(dai)骨架點(dian)陣(zhen)的強度表現(xian)出顯(xian)著(zhu)優(you)勢，其(qi)屈服(fu)強度比對照點(dian)陣高(gao)出2.4–3.1 倍，說(shuo)明(ming)骨架在提升(sheng)宏觀承(cheng)載能力(li)方面(mian)發(fa)揮(hui)了關鍵(jian)作用。e圖(tu)進壹步總(zong)結了各類(lei)點陣(zhen)的強度差(cha)異，其中由骨(gu)架納(na)米(mi)多(duo)孔(kong)銅(tong)構(gou)成(cheng)的正(zheng)方(fang)形(xing)蜂(feng)窩點陣表(biao)現(xian)尤為(wei)突出，其強度不僅比(bi)理論模型(xing)高(gao)出(chu)800%，比(bi)強度更是(shi)超過了對應(ying)的致(zhi)密 Cu–Mn合金。

圖(tu)6進壹步揭(jie)示(shi)了骨架納(na)米(mi)多(duo)孔(kong)銅(tong)點(dian)陣(zhen)在力學(xue)性(xing)能上(shang)的“越界(jie)表現(xian)"。 這(zhe)幅圖(tu)將實驗結果(guo)與經(jing)典(dian)的Gibson–Ashby模(mo)型(xing) 進(jin)行(xing)了對比。該(gai)模型(xing)是(shi)評(ping)價(jia)多(duo)孔(kong)金屬力(li)學性(xing)能的經(jing)驗標度關(guan)系(xi)，預測屈(qu)服(fu)強度與相(xiang)對密度成線性(xing)關系(xi)，大(da)多(duo)數(shu)傳統(tong)金屬點(dian)陣結(jie)構(gou)（包(bao)括對照點(dian)陣）都(dou)落(luo)在這(zhe)條(tiao)曲線或(huo)其下(xia)方(fang)。然而，從圖(tu)中可以(yi)清楚看(kan)到，骨架納(na)米(mi)多(duo)孔(kong)銅(tong)點(dian)陣(zhen)的數(shu)據(ju)點(dian)遠遠高於理論曲線。這(zhe)意(yi)味著(zhe)，它的強度–密度關系已經(jing)突破了傳統(tong)規律，不再(zai)受限於“孔隙(xi)率升(sheng)高會(hui)導致(zhi)強度下(xia)降"的固有矛盾，而是在保持輕(qing)質(zhi)的同(tong)時(shi)依舊獲(huo)得了超常的高(gao)強度。

總(zong)結：本(ben)研(yan)究以(yi)“客家土樓(lou)"的建(jian)築(zhu)理念為靈感，提出並實現(xian)了壹種全(quan)新的骨(gu)架納(na)米(mi)多(duo)孔(kong)銅(tong)設(she)計(ji)。 研(yan)究團隊通過增(zeng)材(cai)制(zhi)造結(jie)合(he)選(xuan)擇(ze)性(xing)去合金化(hua)工(gong)藝，在材(cai)料(liao)內(nei)部同時(shi)構築(zhu)了不可去合金化(hua)的富Cu骨(gu)架與納(na)米(mi)多(duo)孔(kong)基體(ti)，形(xing)成(cheng)了獨特的“骨(gu)架–分(fen)艙(cang)"層級(ji)結構(gou)。系統表(biao)征結果(guo)表(biao)明，這(zhe)種結(jie)構(gou)能(neng)夠(gou)有效(xiao)抑(yi)制(zhi)韌帶(dai)粗化(hua)、顯著(zhu)提升(sheng)材(cai)料(liao)的承(cheng)載能力(li)。實驗測試顯(xian)示(shi)，骨架納(na)米(mi)多(duo)孔(kong)銅(tong)的屈(qu)服(fu)強度和峰值(zhi)強度分別比(bi)無骨(gu)架結(jie)構(gou)提升(sheng)62%和70%，比(bi)強度超過60 MPa·cm³·g⁻¹，性(xing)能不僅優(you)於傳(chuan)統納(na)米(mi)多(duo)孔(kong)金屬，也(ye)超越了部分經(jing)過特殊設(she)計(ji)的多(duo)孔(kong)體系(xi)。進壹(yi)步在點陣(zhen)尺度(du)的驗證(zheng)中(zhong)，骨(gu)架納(na)米(mi)多(duo)孔(kong)銅(tong)點(dian)陣(zhen)的強度較對照組(zu)提高了2.4–3.1倍，甚(shen)至突破了Gibson–Ashby模型(xing)的經(jing)驗極限，實現(xian)了輕(qing)質(zhi)、高(gao)強、多(duo)功能兼(jian)得。這(zhe)壹(yi)成果(guo)不僅解(jie)決了納(na)米(mi)多(duo)孔(kong)金屬“高(gao)孔隙(xi)率–低強度"的長(chang)期難(nan)題，也(ye)為(wei)開(kai)發(fa)兼(jian)具功能性(xing)與結(jie)構(gou)承(cheng)載能力(li)的新型(xing)輕(qing)質(zhi)材(cai)料(liao)提供了新思路(lu)。