Nat.Commun：利用纳米尺度的力学不稳定性实现超低刚度金属

【引言】

工程复合材料一般通过结合不同的材料实现单组元不具有的性能，或者通过优化微观组织获得优异机械性能。然而复合材料的设计并非没有限制，成分组成、混合形式在复合材料设计中起关键作用，并且给予性能不可逾越的极限，例如刚度属性取决于相位分布。近日有学者对超材料进行了研究，超材料在准静态条件下展示了一种刚度低于2GPa的完全致密的金属。

【成果简介】

近日，普渡大学Alejandro Strachan（通讯作者）在Nat.Commun上发布了一篇关于超低刚度金属的文章，题为“Harnessing mechanical instabilities at the nanoscale to achieve ultra-low stiffness metals”。研究人员利用与兼容、稳定的第二组分的相干整合，使马氏体合金的力学不稳定性和低刚度状态稳定化，进而设计完全致密的超低刚度纳米结构金属，模量低至2GPa，比任一成分的模量都低，与以往的复合材料不同。

【图片导读】

图1:点阵参数对马氏体转变自由能的影响

插图为NiAl和Ni₆₃Al₃₇之间的外延界面的示意图，其中Al原子是浅蓝色，NiAl中的Ni是深蓝色，Ni₆₃Al₃₇中的Ni是红色的。

图2：金属纳米线的应力 - 应变响应

(a) T-Core纳米线各阶段、各部分的应力 - 应变曲线；

(b) T-Shell纳米线各阶段、各部分的应力 - 应变曲线。

T-Core ：Core(Ni₆₃Al₃₇)/Shell(NiAl)

T-Shell：Core(NiAl)/Shell(Ni₆₃Al₃₇)

图3：弹性和非弹性变形过程的原子结构

(a) Ni₆₃Al₃₇纳米线在一个新的定向形核处发生单轴应变；

(b) 70％的T-Shell纳米线改变局部晶格参数发生的应变。

图4：纯纳米线与超材料纳米线的结构分析

(a) 在20％单轴应变Ni₆₃Al₃₇纳米线的结构；

(b) RDF达到5％应变对的结构；

(c) 70％T-Shell超材料纳米线结构；

(d) RDF位于单个相之间的超材料结构。

图5：纳米异质外延超材料的低刚度

(a) Ni₆₃Al₃₇原子的纳米线拉伸强度曲线；

(b) 纳米线的弹性模量-拉伸强度的对比。

【小结】

这篇文章揭示了在纳米尺度内力学不稳定性对超低刚度材料性能的影响。通过材料在相变过程中经历的力学不稳定性和对超材料的分子动力学模拟的手段，在准静态条件下得到了刚度低于2GPa的超金属。研究结果表明，在准静态条件下，超材料通过一系列的手段得到了完全致密、全面强度纳米级的超低刚度。

文献链接：Harnessing mechanical instabilities at the nanoscale to achieve ultra-low stiffness metals（Nat.Commun, 2017，DOI:10.1038/s41467-017-01260-6）

本文由材料人编辑部新人组胡爽编译，陈炳旭审核，点我加入材料人编辑部。

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