優化膜厚以提升高熵合金復合微點陣超材料韌性
發布日期：2022-04-07
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作者
James Utama Surjadi、馮驍斌、周文釗、陸洋
作者單位
香港城市大學機械工程系
香港城市大學深圳研究院納米制造實驗室(NML)
Citation
Surjadi J U, Feng X B, Zhou W Z, Lu Y. Optimizing film thickness to delay strut fracture in high-entropy alloy composite microlattices. Int. J. Extrem. Manuf. 3, 025101 (2021).
01 文章導讀
近年來，高熵合金(HEAs)復合微晶格點陣與傳統金屬晶格材料相比，具有優異的力學性能和功能特性。然而在較低的應變下(10%以下)，較軟的聚合物芯與表面硬質金屬薄膜之間的模量失配和低附著力往往會導致膜基分離和支桿斷裂。最近，來自香港城市大學的James Utama Surjadi, 馮驍斌, 周文釗博士和陸洋副教授在《極端制造》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上發表了題為“優化膜厚以延緩高熵合金復合微晶格點陣支桿斷裂” (Optimizing film thickness to delay strut fracture in high-entropy alloy composite microlattices) 的文章。在這項工作中，作者利用金屬微納尺度效應，證明通過優化微晶格CoCrNiFe高熵合金薄膜厚度可顯著抑制膜基分離，并延緩支桿斷裂，同時材料的比強度提升了高達50%。本研究為金屬復合微點陣材料強韌化提供了一種有效的方案。
02 研究背景
金屬微晶格點陣作為一類新興力學超材料，因其在低密度下同時具有較高剛度和高強度等優異力學性能，最近引起了人們的廣泛關注。在具體的實施方案中，金屬/合金復合微晶格點陣是一種直接而有效的方法，可以在保持較低重量的同時提高材料剛度和強度。此外，高熵合金(HEAs)，這種由四種或更多種主元組成的新型合金，最近已被應用于復合微納米晶格中，與傳統金屬/合金相比，高熵合金微晶格表現出更為優異的比強度和可調控的性能。然而，盡管高熵合金微晶格具有較高的強度，但在較低的壓縮應變下(~ 7%)出現支桿脆性斷裂，這一現象同樣在復合微晶格中有大量報導。
03 最新進展
高熵合金復合微晶格點陣設計和微納加工工藝
作者首先通過軟件進行八角點陣的設計優化，聚合物微晶格點陣通過面投影微立體光刻技術（PμSL）制備，實驗采用了摩方精密nanoArch S140超高精度微納3D打印設備。選擇八角點陣幾何結構是因為它是拉伸主導變形，相對于彎曲主導的微晶格點陣，在相同密度下可以承受更大的載荷。八角點陣單元尺寸為2 mm，支桿直徑為0.2 mm。隨后我們在室溫下通過磁控濺射在聚合物構架上沉積一層CoCrNiFe高熵合金薄膜。
圖1 (a) 高熵合金復合八角點陣單元 (b) 面投影微立體光刻(PμSL)技術 (c) 高熵合金薄膜沉積
原位單軸壓縮聚合物和復合微晶格點陣
在較低的壓縮應變下，所有微晶格點陣的支桿均表現出彈性屈曲。然而，在較大應變下(~ 8.5%)，復合微晶格點陣(400 nm)表現出局部的支桿斷裂。同時，100 nm厚的復合微晶格在高壓縮應變(~ 17%)下才開始出現支桿斷裂，其壓縮塑性與純聚合物微晶格基本相同(~ 18%)。
圖2 (a) 微晶格點陣變形過程 (b) 微晶格點陣壓縮應力-應變曲線。
變形后復合微晶格點陣微觀結構觀測
較薄涂層的復合微晶格的強度和塑性的提高主要是由于隨著特征尺寸減小高熵合金薄膜的脆韌性轉變。涂層厚度為100 nm的微晶格即使大變形后仍保持光滑的表面形貌，沒有明顯的裂紋。相反，涂層厚度為400nm的微晶格在變形后支桿表面出現大量裂紋。斷裂的支桿的截面形態也顯示出脆性斷口和膜基分離，從而揭示了優化膜厚可以很大程度上延緩高熵合金復合微晶格點陣支桿的斷裂。
圖3 (a, b) 變形后結構單元掃描電鏡圖片(c, d) 斷口周圍表面形貌 (e, f) 斷口截面形貌
04 未來展望
在這篇文章中,作者采用面投影微立體光刻技術 (PμSL)和磁控濺射技術制備出CoCrNiFe高熵合金復合微晶格點陣。PμSL同時提供了高分辨率和相對較大打印區域，使得厘米級樣品具有微米級分辨率。此外通過優化膜厚，作者提出完全抑制膜基分離以及大幅延緩支桿斷裂是可能的。這種方法可以應用于其他先進的金屬/合金復合微晶格中，以進一步提升微點陣材料的機械和功能應用。
05 作者簡介
陸洋，香港城市大學機械工程學系副教授；香港城市大學深圳研究院納米制造實驗室（NML）主任。專注于微納米力學和微納制造。主持國家自然科學基金、香港研究資助局、深圳市科技創新委員會等多項科研項目。以第一或通訊作者在Science、 Nature Nanotechnology、Nature Communication, Science Advances等學術刊物發表文章七十余篇。曾獲首批國家自然科學基金優秀青年基金（港澳）、2013/14香港研資局“杰出青年學者獎”、2019香港城市大學“杰出研究獎（青年學者）”、2018香港城市大學“校長獎”，并擔任Materials Today副主編、《中國科學: 技術科學》青年編委等。
主頁：
http://www.cityu.edu.hk/mne/yanglu/
原文鏈接：
https://doi.org/10.1088/2631-7990/abd8e8
