導讀
仿生結構可有效提高材料的機械性能，但難以在金屬系統中構建。仿生金屬複合材料的結構-性能關係也仍不清楚。本文通過將純鎂熔體無壓滲透到3D打印的Ti-6Al-4V支架中來製造Mg-Ti複合材料。複合材料的成分是連續的，在3-D空間中相互滲透，並表現出具有仿生磚和砂漿、布利根和交叉層狀結構的特定空間排列。這些結構促進了有效的應力傳遞、離域損傷和阻止開裂，從而比具有離散增強的複合材料具有更高的強度和延展性。此外，它們激活了一系列外在的增韌機制，包括裂紋偏轉/扭曲和未開裂的韌帶橋接，這使得裂紋尖端能夠屏蔽施加的應力並導致「Γ」形上升的抗斷裂R曲線。
強度和斷裂韌性是結構材料的兩個重要力學性能，但它們往往表現出相互排斥的關係。通過從天然生物材料中汲取經驗，受生物啟發的結構結構設計已成為提高人造材料性能的有效途徑；特別是它為實現強度和斷裂韌性的協同增強提供了新的機會。具體來說，聚合物的簡單增材製造使其成為探索生物和仿生材料的結構-性能關係的理想原型。然而，這些材料的結構應用通常受到其強度低和耐熱性差的限制。考慮到它們明顯不同的變形機制，源自聚合材料的結構-性能關係對其他材料系統（例如金屬和合金）的適用性也存在疑問。與聚合物相比，在金屬材料中構建仿生結構更具挑戰性。這主要是由於在傳統製造過程中難以控制金屬材料的微觀結構，這通常涉及高溫和高壓。迄今為止，大多數仿生金屬材料僅限於那些具有珍珠層狀結構的材料，這些結構是通過定向非等距增強材料製造的。然而，最近出現了例外情況，通過將金屬熔體滲透到另一種具有更高熔點的金屬的纖維結構中，在Cu-W和Mg-Ti系統中製造魚鱗狀結構。
以選擇性激光或電子束熔化的三維 (3-D) 打印為代表的金屬增材製造技術為以類似於自然界的「自下而上」方式加工金屬材料提供了一種有效的方法。它們在生產具有複雜預先設計結構的多孔金屬支架方面特別有效，從而為實施仿生設計提供了新的機會。各種仿生結構已被用於優化增材製造金屬支架的機械性能。然而，這種在緻密金屬材料中的建築結構可能會受到一些限制的阻礙。首先，金屬的增材製造技術在很大程度上僅限於單一材料系統（或單一成分，即使它由多種成分或成分組成）；當涉及兩種或多種成分時，該過程可能會變得非常複雜。相比之下，自然界中的大多數生物材料包含至少兩種具有明顯不同剛度的成分。相對剛性和柔順的成分通常是雙連續的，並且在3D空間中拓撲互連，形成特定的互穿相架構。通過3-D打印在聚合物複合材料中構建了類似的結構，並被證明可有效提高包括剛度、強度、斷裂韌性和能量耗散能力在內的性能，但在3-D打印金屬材料中很少實現、其次，儘管直接比較不同類型的仿生結構之間的機械性能對於它們在材料設計中的選擇至關重要，但這對於金屬系統尚未通過實驗實現。第三，結構-性能關係是結構優化以改善性能的基礎，但對於具有不同結構的仿生金屬材料，除了那些模仿珍珠層的金屬材料，這在很大程度上仍不清楚。特別是，與金屬系統中這些結構相關的特定強化和增韌機制仍未探索。
為了解決上述問題，中科院金屬所張哲峰教授團隊聯合美國加州大學伯克利分校Robert O. Ritchie教授等人在這裡使用兩步方法製造了一組包含不同仿生結構的Mg-Ti互穿相複合材料，具體包括：（i）開放多孔Ti-6Al-4V支架的3-D打印具有仿生結構，以及（ii）用純鎂熔體對支架進行無壓滲透。Ti-6Al-4V合金和Mg被選為成分，因為它們具有高比強度、低密度和良好的生物相容性。此外，它們在剛度上表現出很大的差異，這在質量上與生物材料相似。設計了三種類型的仿生結構：（i）模仿珍珠層的實體結構，（ii）扭曲的膠合板或模仿節肢動物外骨骼的所謂Bouligand結構，和 (iii) 模仿海螺或雙殼貝殼的交叉層狀結構。
在這項工作中，這三種仿生結構是通過3-D打印Ti-6Al-4V支架構建的，然後用Mg無壓滲透形成Mg-Ti複合材料。該工藝利用了兩種成分之間的巨大熔點差異而沒有劇烈的化學反應，以及鎂熔體與Ti-6Al-4V合金的良好潤濕性。我們的目的是評估和比較這些複合材料的損傷容限，特別是強度、韌性和抗衝擊性，揭示了它們的結構-性能關係，並闡明了與其特定的仿生架構相關的增韌機制。在此基礎上，我們試圖為仿生金屬材料的建築選擇和設計提供指導。此外，我們相信我們的複合材料也可能具有結構和生物醫學應用的潛力。相關研究成果以題「On the damage tolerance of 3-D printed Mg-Ti interpenetrating-phase compoSites with bioinspired architectures」發表在國際著名期刊Nature Communications上。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30873-9
通過將純鎂熔體無壓滲透到3-D打印的Ti-6Al-4V支架中，製備了三種類型的Mg-Ti複合材料，其具有仿生磚結構、Bouligand和交叉層狀結構。Mg和Ti-6Al-4V成分都是連續的，在3D空間中相互滲透，並且在仿生複合材料中表現出特定的空間排列，與其自然原型中的結構在質量上是一致的。相鄰的加強層通過3-D打印過程中形成的熔接接頭相互連接。析出物出現在Mg的晶界和成分之間的界面處。
仿生複合材料的拉伸性能均優於離散Ti-6Al-4V顆粒增強的複合材料，但與它們的特定結構密切相關。複合材料的楊氏模量和強度可以通過修改經典的層壓板理論來結合它們的建築特徵，特別是與其成分的方向相關聯。這可能為仿生複合材料的建築選擇和設計提供理論基礎。
圖1：3-D打印的Ti-6Al-4V支架及其滲透的Mg-Ti複合材料的仿生結構。
圖2：仿生Mg-Ti複合材料的精細微觀結構、相組成和元素分佈。a-c：Mg-Ti複合材料的顯微照片，b：Ti-6Al-4V增強材料，c：Mg基體以及Mg和Ti-6Al-4V相之間的界面區域的顯微照片。d：晶粒內（上）和晶界（下）鎂基體的微區XRD圖。e：通過EDS測量獲得的元素Mg、Al、Ti、Si和V在與c中的圖像對應的區域中的面積分佈。
圖3：具有三種不同結構的仿生Mg-Ti複合材料的單軸拉伸性能和損傷特性。a：拉伸工程應力-應變曲線和b複合材料的整體斷裂形態，拉伸試驗的加載配置在a的插圖中說明。粗粒純鎂的數據也顯示在（a）中以進行比較。c–e：SEM 圖像和X射線計算機斷層掃描 (CT) 的拉伸樣品在 (c) 實體、(d)Bouligand和(e) 交叉層狀結構的斷裂前卸載的體積渲染。CT圖像通過濾除Mg的信號並以黃色突出裂紋區域來處理。e中的插圖放大Mg內的滑移帶以及交叉層狀結構複合材料中裂紋的偏轉和分支。
圖4：三種仿生結構的楊氏模量和強度的層壓理論分析。
仿生複合材料呈現出「Γ」形的R曲線，其J積分呈上升趨勢，但隨着裂紋的擴展速率呈下降趨勢。仿生結構引發了一系列外在的增韌機制，包括裂紋偏轉/扭曲和未開裂的韌帶橋接，以保護裂紋尖端免受施加的應力。裂紋尖端之前的微裂紋進一步促進了這些機制。當沿不同方向加載時，只有交叉層狀結構在衝擊韌性方面表現出顯著的各向異性。
圖5：不同結構的仿生Mg-Ti複合材料的斷裂和衝擊韌性。
圖6：仿生Mg-Ti複合材料的開裂形態和增韌機制。(a) 實體、(b) Bouligand和 (c)交叉層狀結構的複合材料的准靜態斷裂韌性樣品的SEM圖像和CT體積圖。CT圖像通過濾除成分信號並突出裂紋區域進行處理。(b)中的白色箭頭表示裂紋尖端之前的微裂紋。(c)中的插圖放大了鋸齒形開裂路徑以及由此產生的裂紋面之間的摩擦滑動，如箭頭所示。
圖7：不同結構的仿生Mg-Ti複合材料的機械性能比較。
在三種仿生結構中，交叉層狀結構在增強材料、離域損傷和抵抗裂紋擴展方面最有效。這種結構賦予複合材料最佳的機械性能組合，包括強度、斷裂伸長率、斷裂功以及斷裂和衝擊韌性。這主要歸因於其分層性質，其中組成方向和界面的變化在不同的長度尺度上是活躍的。
仿生鎂鈦複合材料可能具有結構和生物醫學應用的潛力。仿生結構的顯着強化和增韌效率可進一步用於開發新的仿生金屬材料。目前的理論分析和處理路線可以為更精確和更有效的方式設計和構建架構提供手段。
來源：前沿材料
