重量级天然材料:厘米级无裂纹!高强度轻质金属纳米结构

导读:本文报道一种无裂纹厘米尺度的多功能金属纳米晶格,可以进行宏观拉伸测试。在1.12%应变下抗拉强度为257 MPa,密度为2.67 g cm-3,是相同相对密度下最强多孔金属强度的2.6倍,体积比其他纳米点阵小10倍。

纳米点阵,具有迷人的力学、能量转换和光学等特性,但在制备大型纳米点阵的同时保持致密规则的纳米特性仍是一个挑战。在此,来自美国宾夕法尼亚大学的Zhimin Jiang & James H. Pikul报道了一种无裂纹自组装方法来制备厘米尺度级别的镍纳米点阵,其无裂纹面积比以前的自组装纳米点阵大得多,且比3D打印纳米点阵的单胞数量更多。相关论文以题为“Centimetre-scale crack-free self-assembly for ultra-high tensile strength metallic nanolattices”发表在Nature Materials上。

论文链接:

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

高强轻质多孔材料是工业上常用的材料,但在制备过程中难以控制其物理和化学结构,限制了其力学性能。纳米晶格是具有纳米尺度特性的多孔材料,有望通过基于尺寸的效应来克服这些限制。双光子聚合的三维(3D)打印,是最常见的纳米点阵制造方法,但即使是创纪录的高打印速度,它也需要64天来制造一个20 × 20 × 0.1 mm3的木堆纳米点阵。另外,自组装方法已经实现了相对快速的纳米点阵制造(通常需要几天的厘米尺度面心立方(fcc)纳米点阵)。特别是通过填充自组装胶体模板的空洞制备的金属纳米晶格,具有10nm的周期特征、类钛抗压强度、选择性光子吸收/发射、高温和化学稳定性等。这些特性显示了纳米晶格相对于传统多孔金属的优势,传统多孔金属具有随机的孔结构和厚的支柱或壁。

然而,自组装模板容易产生密集的裂纹。当填充材料时,这些裂纹会形成倒裂纹结构,将样品分成小的纳米点阵域,造成应力集中,阻碍流体/气体传输,并增加光学散射。虽然很多研究集中在制备自组装纳米晶,也有一些试图消除倒置裂缝,但目前尚没有一种自组装制备方法,能够产生没有倒置裂缝的大面积金属纳米晶。一种消除模板裂缝并精确控制数百万单元金属纳米结构的方法将实现具有前所未有的性能的纳米点阵,并使其在传感、能量转换和力学方面的应用成为可能。

此外,测量、预测和优化纳米晶格的拉伸性能,以了解这些材料是如何断裂和对复杂载荷的响应的是一个关键需求。然而,由于3D打印纳米点阵的尺寸有限(通常<5mm2),倒置裂缝之间组装的小纳米点阵域(通常<0.01 mm2)以及在拉伸下可靠测试小纳米点阵的困难,几乎所有之前的纳米点阵力学表征都是通过微/纳米压痕压缩完成的。研究纳米晶格拉伸行为的少数研究使用的样品小于几毫米或具有较低的绝对强度,而没有研究探索在厘米尺度上且有数百万单胞的高强度纳米晶格的拉伸性能。为了真正利用纳米晶的优异性能,进一步了解其大规模断裂,实现宏观纳米晶的制备方法,了解其化学和物理特性如何影响其拉伸性能,是至关重要的。

在此,研究者展示了一种无裂纹自组装方法来制备厘米尺度的多功能金属纳米晶格,具有100 nm的周期特征和30 nm的晶粒尺寸,相对于先前的纳米晶格,无裂纹面积增加了20000倍,单胞数量增加了1000倍。该纳米晶格在1.12%应变下,纳米粒子的抗拉强度为257 MPa,密度为2.67 g cm-3,是相同相对密度下最强多孔金属强度的2.6倍。研究者通过保持湿模板和利用静电帮助金属电沉积模板,来消除自组装过程中的裂纹。所制得的纳米镍,具有优异的光子色度和接近其宏观理论的拉伸强度。高绝对强度和低密度,使得镍纳米点阵可以取代夹层板芯,其体积比多孔钛小50%,质量比多孔铁小50%,更重要的是,体积比其他纳米点阵少10倍。

图1 用WE法制备无反相裂纹金属纳米晶与传统方法的比较。

图2 反相无裂纹镍纳米晶的物理和光学表征。

图3 纳米镍的拉伸性能。

图4 镍纳米点阵与其他多孔金属和纳米点阵的性能比较。

综上所述,本研究提出了一种无裂纹自组装制备大面积多功能金属纳米晶的方法,该方法具有超高的257 MPa拉伸强度,是现有多孔金属在0.298相对密度下强度的2.6倍。研究发现,在自组装过程中消除裂缝的关键,是用0.06%的甘油保持模板的湿性。此外,合成的带正电的PS粒子,由于静电力可通过厚、湿的蛋白石允许随后的电沉积。受益于这种制备方法的可扩展性,研究者种植了大面积的无反向裂纹的镍纳米晶,并使用宏观测试设备测量了拉伸性能。所得到的镍纳米晶格具有优异的光子色度,接近了较高的拉伸强度的理论极限,实现了强度和相对密度的结合,优于其他多孔金属和纳米晶格,能够以比大多数多孔材料更小的体积和质量抵抗弯曲断裂。

这项工作中开发的方法以及发现,将进一步促进设计和制造具有高强度、电导率和导热率、结构着色和高比表面积的轻质多孔金属,而这可能提高众多应用的性能,如高功率密度电池,高效热交换、质量交换器和选择性渗透膜。(文:水生)

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