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中国科学院大学《Acta Materialia》利用分形纳米结构设计获得非晶材料的大拉伸延展性

材料学网 · 公众号 · · 2024-06-27 21:23

正文

导读 : 非晶材料在拉伸应力下具有固有的脆性。在硅基和金属基玻璃中尤其如此。特别是后者，它们经常表现出优于晶体对应物的机械性能。然而，缺乏拉伸延展性严重阻碍了它们为社会服务。为了朝着这个方向前进，本文致力于通过先进的计算建模，寻找一种实用的智能分形纳米建筑设计方法。这主要是为了规避纳米尺度上的本征应变局部化，以避免灾难性的破坏。通过将外部应变分布到许多自约束纳米分支成功地获得了惊人的可调拉伸延展性。这一策略被证明是非常有效的不同类别的非晶材料。他们发现纳米结构玻璃的拉伸性能既取决于组成元素，也取决于纳米结构。这证明了在任何空间长度尺度下为特定材料设计所需机械性能的灵活能力。目前的研究结果将激发尖端 3d 打印技术的实验实现，并呼吁通过顶尖的图神经网络深度学习算法进行优化设计。这项工作还提出了一种新的“结构” - 性能关系，以有效地连接实验制作和计算设计。

眼镜见证了 5000 多年前的人类文明。最受欢迎的例子是硅酸盐玻璃，经常在世界各地的博物馆和教堂展出。它们被广泛用作装饰精美的窗户和各种用途的功能容器。这些材料的出现丰富了人类的生活，提供了宝贵的便利。在现代，玻璃在取代混凝土和消费电子产品等方面也发挥着重要作用。 60 多年前，通过超淬火技术发现了另一类主要由金属元素构成的独特玻璃材料。它们被称为 金属玻璃 (MGs) ，由于无序的原子堆积特性，它们表现出优异的机械性能。

金属玻璃缺乏拉伸延展性 ，类似于硅酸盐玻璃。这源于纳米尺度的应变局部化，因为缺乏明确的塑性载体。由此产生的剪切条带在整个样品中快速传播，导致不可预测的灾难性失效。这种非均质变形机制适用于许多不同的玻璃材料。这已经在各种玻璃固体中进行了大量的讨论，如硅酸盐玻璃、镁玻璃和最近的无机玻璃。这些证明了非晶材料固有的拉伸脆性。

即使具有固有的拉伸脆性， MGs 在纳米尺度上也能表现出令人印象深刻的拉伸延展性 。在纳米尺度上可以看到颈缩现象。这可能有效地阻止剪切带的形核和扩展。受这种现象的启发，在这项工作中， 松山湖实验室胡远超 提出了通过智能分形纳米结构设计来实现大块玻璃固体的拉伸延展性的想法。主要目的是让更多的纳米分支共享输入能量，避免大的应变局部化。通过大规模分子动力学 (MD) 模拟，他们成功地获得了 Cu50Zr50 (CuZr) 、 Fe80P20 (FeP) 和 Si 三种典型模型玻璃的拉伸延展性。此外，通过设计不同的纳米结构，拉伸性能可以广泛调整。加工硬化，这是不存在的整体 mg ，现在是可见的和可控的。拉伸应力 - 应变曲线取决于原子间电位和纳米结构。这使我们能够通过智能设计为任何特定的玻璃实现所需的机械性能。他们发现开辟了一条途径，有效地操纵玻璃性质，特别是不同类别的非晶材料的拉伸延展性。这将刺激新的实验设计和促进玻璃的应用

nanoarchitecture design ” 发表在 Acta Materialia 上

链接： https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645424004518?via%3Dihub

图 1CuZr 、 FeP 和 Si 的块状拉伸变形。

(a)CuZr 的体玻璃样品在零应变时的原子快照，与 FeP 和 Si 相似。尺寸约为 20nm × 40nm × 20nm 。原子序数是 884,736 。绿色原子是 Zr 和 Cu 。

(b) - (d) 模型系统的拉伸应力 - 应变曲线。虚线是低拉伸应变状态下应力 - 应变曲线的线性拟合。红星标记屈服点，定义屈服强度 σ _y 。

首先在图 1 中展示 CuZr 、 FeP 和 Si 在块状形状下的拉伸变形行为，以此开始介绍我们的主要结果。如图 1a 所示，这些致密的玻璃样品大约有 90 万个原子。这些玻璃状固体显示了典型的玻璃拉伸应力 - 应变曲线。 CuZr 和 FeP 表现出类似的行为，与 Si 不同。

图 2 分形纳米结构设计。

(a,b,c) 元素立方形状的分形纳米结构示意图。它们分别代表第一、第二和第三个级别。

(d,e,f) 通过计算机模拟 (a-c) 制作的元素立方形状的分形纳米结构示意图。我们以 CuZr 为例，这两种颜色代表 Cu 或 Zr 。 (d) 原子数为 1715 个， (e) 原子数为 157065 个，尺寸为 40 × 40 × 40 nm3 。在第三层 (f) 中，有 2513,040 个大小为 79 × 158 × 79 nm3 的原子。为了更好地可视化，我们将投影显示为二维平面。

(g-k) 为本研究设计的各种元素结构。它们分别是八面体、对角线、对角边界、八面体和八面桁架。在计算机模拟中，它们也被制作成第三级进行拉伸试验。相应的原子序数如表 1 所示。

从研究充分的纳米结构开始试验，它们是六种分形纳米结构，即立方、八面体、对角线、对角线边界、八面体和八面体桁架 ( 见图 2 和表 1) 。简言之，制造过程首先通过淬火熔体，在几纳米的边长处形成玻璃状固体，从中产生第一级纳米结构 ( 见图 2a 中的立方例子 ) 。通过复制和修改，创建了第二级 1( 见图 2b) ，然后以同样的方式获得了第三级 0( 见图 2c) 。原理图过程如图 2a-c 所示，实际方法如图 2d-f 所示。