中科院金属所+加州大学丨3D打印仿生结构金属复合材料及其损伤容限研究

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强度和断裂韧性是材料的两个重要性能参数，但二者往往表现为相互制约的关系。从天然生物材料中复杂巧妙的组织结构中汲取经验，受生物启发的结构设计和性能优化可为人造材料的强韧化设计提供新的思路。然而，在金属材料体系中设计构筑仿生结构仍面临挑战，仿生金属复合材料的结构与性能之间的关系尚不明晰，仍需要大量探索。

中科院金属所师昌绪先进材料创新中心联合美国加州大学伯克利分校在著名的《Nature Communications》杂志上发表了题为 “On the damage tolerance of 3-D printed Mg-Ti interpenetrating -phase composites with bioinspired architectures” 的文章，报道了其在金属仿生材料结构优化设计方面取得的新成果。

图1 “3D打印+熔体浸渗”工艺制备的具有不同仿生结构的Mg-Ti复合材料结构

a 仿鲍鱼壳的“砖-泥”结构; b 仿螳螂虾壳的螺旋编织结构 c 仿紫石房蛤壳的交叉叠片结构

该研究利用“3D打印+熔体浸渗”工艺制备了一系列新型镁-钛金属仿生材料，模仿天然生物材料的三维结构与空间构型，构筑了如图1所示的三种结构：类似鲍鱼壳的“砖-泥”结构、类似螳螂虾壳的螺旋编织结构和类似紫石房蛤壳的交叉叠片结构。

图2 仿生Mg-Ti复合材料界面处的组织、相组成和元素分布

图3 三种不同结构的仿生Mg-Ti复合材料的单轴拉伸性能和损伤特征

研究发现，复合材料成分是连续的，并且在3D空间内相互渗透，展现出很好的空间结构。这些结构能够有效的促进应力传递、阻止裂纹，因此显著提升了强度和延展性。另外，它们还激发了一系列外在的增韧机制，包括诱导裂纹沿仿生结构发生偏转，增大裂纹面的面积，并通过裂纹面之间产生摩擦并形成桥连，有助于消耗外加机械能、实现增韧。此外，研究将经典层合理论应用于仿生结构中，建立结构与力学性能之间的定量关系，从而为预测仿生材料的性能以及优化设计提供了理论依据。