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重磅《Nature Materials》：厘米級無裂紋！高強(qiáng)輕質(zhì)金屬納米結(jié)構(gòu)

2021-07-12 14:41:05 作者：材料科學(xué)與工程來源：材料科學(xué)與工程分享至：

導(dǎo)讀：本文報(bào)道一種無裂紋厘米尺度的多功能金屬納米晶格，可以進(jìn)行宏觀拉伸測試。在1.12%應(yīng)變下抗拉強(qiáng)度為257 MPa，密度為2.67 g cm-3，是相同相對密度下最強(qiáng)多孔金屬強(qiáng)度的2.6倍，體積比其他納米點(diǎn)陣小10倍。

納米點(diǎn)陣，具有迷人的力學(xué)、能量轉(zhuǎn)換和光學(xué)等特性，但在制備大型納米點(diǎn)陣的同時(shí)保持致密規(guī)則的納米特性仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。在此，來自美國賓夕法尼亞大學(xué)的Zhimin Jiang & James H. Pikul報(bào)道了一種無裂紋自組裝方法來制備厘米尺度級別的鎳納米點(diǎn)陣，其無裂紋面積比以前的自組裝納米點(diǎn)陣大得多，且比3D打印納米點(diǎn)陣的單胞數(shù)量更多。相關(guān)論文以題為“Centimetre-scale crack-free self-assembly for ultra-high tensile strength metallic nanolattices”發(fā)表在Nature Materials上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41563-021-01039-7

高強(qiáng)輕質(zhì)多孔材料是工業(yè)上常用的材料，但在制備過程中難以控制其物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)，限制了其力學(xué)性能。納米晶格是具有納米尺度特性的多孔材料，有望通過基于尺寸的效應(yīng)來克服這些限制。雙光子聚合的三維（3D）打印，是最常見的納米點(diǎn)陣制造方法，但即使是創(chuàng)紀(jì)錄的高打印速度，它也需要64天來制造一個(gè)20?×？20?×？0.1 mm3的木堆納米點(diǎn)陣。另外，自組裝方法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了相對快速的納米點(diǎn)陣制造（通常需要幾天的厘米尺度面心立方（fcc）納米點(diǎn)陣）。特別是通過填充自組裝膠體模板的空洞制備的金屬納米晶格，具有10nm的周期特征、類鈦抗壓強(qiáng)度、選擇性光子吸收/發(fā)射、高溫和化學(xué)穩(wěn)定性等。這些特性顯示了納米晶格相對于傳統(tǒng)多孔金屬的優(yōu)勢，傳統(tǒng)多孔金屬具有隨機(jī)的孔結(jié)構(gòu)和厚的支柱或壁。

然而，自組裝模板容易產(chǎn)生密集的裂紋。當(dāng)填充材料時(shí)，這些裂紋會(huì)形成倒裂紋結(jié)構(gòu)，將樣品分成小的納米點(diǎn)陣域，造成應(yīng)力集中，阻礙流體/氣體傳輸，并增加光學(xué)散射。雖然很多研究集中在制備自組裝納米晶，也有一些試圖消除倒置裂縫，但目前尚沒有一種自組裝制備方法，能夠產(chǎn)生沒有倒置裂縫的大面積金屬納米晶。一種消除模板裂縫并精確控制數(shù)百萬單元金屬納米結(jié)構(gòu)的方法將實(shí)現(xiàn)具有前所未有的性能的納米點(diǎn)陣，并使其在傳感、能量轉(zhuǎn)換和力學(xué)方面的應(yīng)用成為可能。

此外，測量、預(yù)測和優(yōu)化納米晶格的拉伸性能，以了解這些材料是如何斷裂和對復(fù)雜載荷的響應(yīng)的是一個(gè)關(guān)鍵需求。然而，由于3D打印納米點(diǎn)陣的尺寸有限（通常<5mm2），倒置裂縫之間組裝的小納米點(diǎn)陣域（通常<0.01 mm2）以及在拉伸下可靠測試小納米點(diǎn)陣的困難，幾乎所有之前的納米點(diǎn)陣力學(xué)表征都是通過微/納米壓痕壓縮完成的。研究納米晶格拉伸行為的少數(shù)研究使用的樣品小于幾毫米或具有較低的絕對強(qiáng)度，而沒有研究探索在厘米尺度上且有數(shù)百萬單胞的高強(qiáng)度納米晶格的拉伸性能。為了真正利用納米晶的優(yōu)異性能，進(jìn)一步了解其大規(guī)模斷裂，實(shí)現(xiàn)宏觀納米晶的制備方法，了解其化學(xué)和物理特性如何影響其拉伸性能，是至關(guān)重要的。

在此，研究者展示了一種無裂紋自組裝方法來制備厘米尺度的多功能金屬納米晶格，具有100 nm的周期特征和30 nm的晶粒尺寸，相對于先前的納米晶格，無裂紋面積增加了20000倍，單胞數(shù)量增加了1000倍。該納米晶格在1.12%應(yīng)變下，納米粒子的抗拉強(qiáng)度為257 MPa，密度為2.67 g cm-3，是相同相對密度下最強(qiáng)多孔金屬強(qiáng)度的2.6倍。研究者通過保持濕模板和利用靜電幫助金屬電沉積模板，來消除自組裝過程中的裂紋。所制得的納米鎳，具有優(yōu)異的光子色度和接近其宏觀理論的拉伸強(qiáng)度。高絕對強(qiáng)度和低密度，使得鎳納米點(diǎn)陣可以取代夾層板芯，其體積比多孔鈦小50%，質(zhì)量比多孔鐵小50%，更重要的是，體積比其他納米點(diǎn)陣少10倍。

圖1 用WE法制備無反相裂紋金屬納米晶與傳統(tǒng)方法的比較。

圖2 反相無裂紋鎳納米晶的物理和光學(xué)表征。

圖3 納米鎳的拉伸性能。

圖4 鎳納米點(diǎn)陣與其他多孔金屬和納米點(diǎn)陣的性能比較。

綜上所述，本研究提出了一種無裂紋自組裝制備大面積多功能金屬納米晶的方法，該方法具有超高的257 MPa拉伸強(qiáng)度，是現(xiàn)有多孔金屬在0.298相對密度下強(qiáng)度的2.6倍。研究發(fā)現(xiàn)，在自組裝過程中消除裂縫的關(guān)鍵，是用0.06%的甘油保持模板的濕性。此外，合成的帶正電的PS粒子，由于靜電力可通過厚、濕的蛋白石允許隨后的電沉積。受益于這種制備方法的可擴(kuò)展性，研究者種植了大面積的無反向裂紋的鎳納米晶，并使用宏觀測試設(shè)備測量了拉伸性能。所得到的鎳納米晶格具有優(yōu)異的光子色度，接近了較高的拉伸強(qiáng)度的理論極限，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度和相對密度的結(jié)合，優(yōu)于其他多孔金屬和納米晶格，能夠以比大多數(shù)多孔材料更小的體積和質(zhì)量抵抗彎曲斷裂。

這項(xiàng)工作中開發(fā)的方法以及發(fā)現(xiàn)，將進(jìn)一步促進(jìn)設(shè)計(jì)和制造具有高強(qiáng)度、電導(dǎo)率和導(dǎo)熱率、結(jié)構(gòu)著色和高比表面積的輕質(zhì)多孔金屬，而這可能提高眾多應(yīng)用的性能，如高功率密度電池，高效熱交換、質(zhì)量交換器和選擇性滲透膜。（文：水生）

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