編輯推薦：去合金可在金屬中產(chǎn)生空隙，從而減輕材料的重量。 然而，當(dāng)固體分?jǐn)?shù)低于約30％時(shí)，機(jī)械性能迅速降低。 本文發(fā)現(xiàn)的兩階段去合金步驟可以制造固體分?jǐn)?shù)低至12％的Ag-Au合金。 出乎意料的是，該過程不會(huì)降低機(jī)械性能，同時(shí)允許合成大塊樣品。 該策略應(yīng)適用于其他合金系統(tǒng)，為制備高強(qiáng)輕質(zhì)的材料提供途徑。

分層結(jié)構(gòu)，可以增強(qiáng)材料和體系的力學(xué)性能。珍珠層或搪瓷的斷裂韌性，以及人造的微尺度網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，都證明了這一點(diǎn)。納米尺度結(jié)構(gòu)有望進(jìn)一步強(qiáng)化，但以這種方式構(gòu)建的宏觀體，包含了大量的支柱，需要可擴(kuò)展的制備方案。

近日，來自德國(guó)的科研人員報(bào)道了由去合金的自組裝途徑制備的宏觀分層網(wǎng)絡(luò)納米材料。相關(guān)論文以題為“Scaling behavior of stiffness and strength of hierarchical network nanomaterials”發(fā)表在《Science》上。

論文鏈接：

https://science.sciencemag.org/content/371/6533/1026

分層結(jié)構(gòu)具有多種相關(guān)的長(zhǎng)度尺度，在自然界、工程學(xué)和社會(huì)中普遍存在。分層結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要用途是優(yōu)化機(jī)械行為，同時(shí)滿足材料類別、質(zhì)量密度或制造成本的邊界條件。眾所周知，大自然利用分層優(yōu)化珍珠層、骨骼和牙釉質(zhì)的斷裂韌性。通過開發(fā)現(xiàn)代三維（3D）制造技術(shù)，這種方法已經(jīng)轉(zhuǎn)移到微尺度。建筑桁架結(jié)構(gòu)已被證明具有極低的密度，高比強(qiáng)度和高回彈性。

由于利用了金屬納米結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度，將桁架結(jié)構(gòu)的尺寸控制在納米范圍內(nèi)被認(rèn)為是有益的。使用尺寸為10納米的支板，意味著一立方毫米有1014個(gè)支板。與3D制造不同，制造如此多的微觀結(jié)構(gòu)元素需要自組織過程，這是材料科學(xué)中微觀結(jié)構(gòu)演化的特征。換句話說，通過可擴(kuò)展的材料制備路線來制造真正的納米尺度的開放網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生宏觀實(shí)體是一個(gè)非常有趣的領(lǐng)域。由旋結(jié)分解或膠體結(jié)晶形成的微米尺度的微觀結(jié)構(gòu)可以作為薄殼的模板，提供一維（即殼層厚度）為納米尺度的宏觀物體。然而，盡管這些方法證明了自然自組織過程的多功能性，但它們還沒有達(dá)到分層結(jié)構(gòu)。不同的途徑可以導(dǎo)致納米多孔金屬的分層結(jié)構(gòu)，但均質(zhì)宏觀體是例外，這類材料有趣的力學(xué)性能仍有待證明。

去合金是通往分層網(wǎng)格材料的途徑之一，特別是具有嚴(yán)格架構(gòu)的結(jié)構(gòu)，以兩個(gè)幾何上相似的網(wǎng)絡(luò)形式嵌套在兩個(gè)定義明確、明顯不同的長(zhǎng)度尺度上。然而，宏觀缺陷阻礙了對(duì)這些材料力學(xué)行為的研究。去合金可以將實(shí)體積分?jǐn)?shù)（？）在單位長(zhǎng)度尺度網(wǎng)絡(luò)中降低至~0.25。減小？需要增加支柱的展寬比，然而長(zhǎng)細(xì)支柱往往趨向Plateau-Rayleigh不穩(wěn)定。這個(gè)問題通常與納米材料相關(guān)，它特別適用于由擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)的自組織產(chǎn)生的金屬納米結(jié)構(gòu)，這是去合金過程中的主動(dòng)過程。因此，當(dāng)？小于~0.3時(shí)，去合金網(wǎng)絡(luò)材料的連通性變差，剛度和強(qiáng)度也變差。這一發(fā)現(xiàn)為納米分層結(jié)構(gòu)材料的開發(fā)提供了動(dòng)力。為了在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)中達(dá)到較低的？，任何給定層次上的短而厚支柱，都可以被構(gòu)建成由一組小得多的支柱組成的網(wǎng)絡(luò)，這些小支柱在較低的結(jié)構(gòu)層次上，也是短而厚（因此穩(wěn)定）。通過這種方式，自組織（因此可擴(kuò)展）過程可以構(gòu)建具有良好連接性、高強(qiáng)度和剛度、低密度（因此輕量級(jí)）納米級(jí)（因此強(qiáng)大）網(wǎng)絡(luò)。

在此，研究者報(bào)道了一種可擴(kuò)展和可控制備、沒有宏觀缺陷的嵌套網(wǎng)絡(luò)納米孔金（N3PG）宏觀整體的去合金方法。在給定的固相分?jǐn)?shù)下層次結(jié)構(gòu)提供了增強(qiáng)的強(qiáng)度和剛度，并通過去合金降低了固相分?jǐn)?shù)。力學(xué)和原子模擬支持了這些觀測(cè)結(jié)果。揭示了在納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中分層結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)性優(yōu)點(diǎn)，該材料可以作為未來輕型結(jié)構(gòu)材料的原型。

圖1 N3PG的制備及微觀結(jié)構(gòu)表征。

圖2 不同固相組分N3PG的單軸宏觀壓縮

圖3 不同層數(shù)的NPG剛度和強(qiáng)度隨固相分?jǐn)?shù)的尺度行為。

研究者確定了有效的宏觀強(qiáng)度與固相分?jǐn)?shù)的關(guān)系（圖3B）。所有的樣本都具有相同的低水平支撐尺寸，L1 = 15 nm，在該大小下σ0（局部支板強(qiáng)度）的值為2.3 GPa。正如在剛度方面所發(fā)現(xiàn)的，來自不同文獻(xiàn)的非分級(jí)NPG強(qiáng)度數(shù)據(jù)是相當(dāng)一致的。

圖4 尺寸對(duì)N3PG力學(xué)性能的影響。

圖5 變形實(shí)驗(yàn)與MD模擬結(jié)果的比較。

圖6 變形過程中小角度干涉函數(shù)的變化。

綜上，研究者探索了納米尺度網(wǎng)格材料的力學(xué)行為，其特征是在兩個(gè)不同的長(zhǎng)度尺度上具有自相似幾何結(jié)構(gòu)的層次結(jié)構(gòu)。由去合金制成的宏觀試樣，包含1012個(gè)桿的數(shù)量級(jí)，比網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的數(shù)量級(jí)還要大。研究者認(rèn)為，分層結(jié)構(gòu)可以減輕納米尺度自組織過程中固有的連接性損失，從而形成網(wǎng)格納米材料。

該研究結(jié)果表明，盡管微觀結(jié)構(gòu)具有自相似性，但不同層次結(jié)構(gòu)的加載方式和變形行為通常是不同的。材料的強(qiáng)度是通過其較低層次的納米尺度支柱來增強(qiáng)的，這利用了已建立的納米結(jié)構(gòu)的尺寸依賴性強(qiáng)化。

分層結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)材料的功能行為，特別是當(dāng)涉及到傳輸現(xiàn)象。無論材料作為功能材料或結(jié)構(gòu)材料都需要了解其力學(xué)性能。本工作建立的方法為未來輕量化納米材料提供了機(jī)會(huì)，增強(qiáng)了低固相分?jǐn)?shù)下的力學(xué)行為。