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重磅《Nature Materials》：厘米級無裂紋！高強輕質金屬納米結構

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

導讀：本文報道一種無裂紋厘米尺度的多功能金屬納米晶格，可以進行宏觀拉伸測試。在1.12%應變下抗拉強度為257 MPa，密度為2.67 g cm-3，是相同相對密度下最強多孔金屬強度的2.6倍，體積比其他納米點陣小10倍。

納米點陣，具有迷人的力學、能量轉換和光學等特性，但在制備大型納米點陣的同時保持致密規則的納米特性仍是一個挑戰。在此，來自美國賓夕法尼亞大學的Zhimin Jiang & James H. Pikul報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陣，其無裂紋面積比以前的自組裝納米點陣大得多，且比3D打印納米點陣的單胞數量更多。相關論文以題為“Centimetre-scale crack-free self-assembly for ultra-high tensile strength metallic nanolattices”發表在Nature Materials上。

論文鏈接：

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

高強輕質多孔材料是工業上常用的材料，但在制備過程中難以控制其物理和化學結構，限制了其力學性能。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，是最常見的納米點陣制造方法，但即使是創紀錄的高打印速度，它也需要64天來制造一個20?×？20?×？0.1 mm3的木堆納米點陣。另外，自組裝方法已經實現了相對快速的納米點陣制造（通常需要幾天的厘米尺度面心立方（fcc）納米點陣）。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、類鈦抗壓強度、選擇性光子吸收/發射、高溫和化學穩定性等。這些特性顯示了納米晶格相對于傳統多孔金屬的優勢，傳統多孔金屬具有隨機的孔結構和厚的支柱或壁。

然而，自組裝模板容易產生密集的裂紋。當填充材料時，這些裂紋會形成倒裂紋結構，將樣品分成小的納米點陣域，造成應力集中，阻礙流體/氣體傳輸，并增加光學散射。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百萬單元金屬納米結構的方法將實現具有前所未有的性能的納米點陣，并使其在傳感、能量轉換和力學方面的應用成為可能。

此外，測量、預測和優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雜載荷的響應的是一個關鍵需求。然而，由于3D打印納米點陣的尺寸有限（通常<5mm2），倒置裂縫之間組裝的小納米點陣域（通常<0.01 mm2）以及在拉伸下可靠測試小納米點陣的困難，幾乎所有之前的納米點陣力學表征都是通過微/納米壓痕壓縮完成的。研究納米晶格拉伸行為的少數研究使用的樣品小于幾毫米或具有較低的絕對強度，而沒有研究探索在厘米尺度上且有數百萬單胞的高強度納米晶格的拉伸性能。為了真正利用納米晶的優異性能，進一步了解其大規模斷裂，實現宏觀納米晶的制備方法，了解其化學和物理特性如何影響其拉伸性能，是至關重要的。

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，單胞數量增加了1000倍。該納米晶格在1.12%應變下，納米粒子的抗拉強度為257 MPa，密度為2.67 g cm-3，是相同相對密度下最強多孔金屬強度的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，具有優異的光子色度和接近其宏觀理論的拉伸強度。高絕對強度和低密度，使得鎳納米點陣可以取代夾層板芯，其體積比多孔鈦小50%，質量比多孔鐵小50%，更重要的是，體積比其他納米點陣少10倍。

圖1 用WE法制備無反相裂紋金屬納米晶與傳統方法的比較。

圖2 反相無裂紋鎳納米晶的物理和光學表征。

圖3 納米鎳的拉伸性能。

圖4 鎳納米點陣與其他多孔金屬和納米點陣的性能比較。

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拉伸強度，是現有多孔金屬在0.298相對密度下強度的2.6倍。研究發現，在自組裝過程中消除裂縫的關鍵，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，并使用宏觀測試設備測量了拉伸性能。所得到的鎳納米晶格具有優異的光子色度，接近了較高的拉伸強度的理論極限，實現了強度和相對密度的結合，優于其他多孔金屬和納米晶格，能夠以比大多數多孔材料更小的體積和質量抵抗彎曲斷裂。

這項工作中開發的方法以及發現，將進一步促進設計和制造具有高強度、電導率和導熱率、結構著色和高比表面積的輕質多孔金屬，而這可能提高眾多應用的性能，如高功率密度電池，高效熱交換、質量交換器和選擇性滲透膜。（文：水生）

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