Science：分层网络纳米材料的刚度和强度的尺度行为

第一作者：Shan Shi

通讯作者：Shan Shi

通讯单位：汉堡科技大学材料物理与技术研究所

自然界中的珍珠母及搪瓷的断裂韧性，和人造微型网络结构证明,层次结构可以增强材料和系统的机械性能，但是以这种方式构建的宏观物体包含大量的支柱，因此需要可扩展的制备方案。具有单一特征尺寸的网络纳米材料已经在去合金的基础上得到了证明，并且去合金也是实现分层网络材料的途径，特别是实现具有特别严格的架构的途径，形式是由两个几何相似的网络嵌套在两个定义明确，截然不同的长度上。但是，宏观缺陷削弱了对这些材料的机械性能的研究。

本研究展示了由去合金的自组装途径制成的宏观分层网络纳米材料的机械性能，该材料的特征是在两个不同长度上具有相似几何结构的分层结构。通过去合金制成的宏观样本包含约10^12个支撑，比架构的网络结构高几个数量级。研究证明结构层次结构可以减轻在形成网络纳米材料的纳米级自组装过程中，固有的连接性损失，并且与具有相似几何结构但只有单个特征长度的材料相比，本研究中分层材料的刚度和强度得到了系统性增强，该结果也得到原子数值模拟的证实。

基于上述思路，本研究详细讨论一下内容：

1）嵌套网络纳米材料的制备

研究发现通过调整制备条件，可以改变嵌套网络材料的微观结构参数。

2）固相分数对杨氏模量和强度的影响

实验证明初始固相分数较高的样品较硬，而杨氏模量随着塑性应变的增加而增加，此外，分层样本将去合金网络材料可实现的固相分数的范围扩展到更低的数值

3）杨氏模量和强度的标度定律

分层材料比具有相同净固相分数的非分层材料明显更硬，更坚固，尤其渗透阈值附近更加明显。

4）将标度定律与实验进行比较

本模型高估了实验性分层纳米网络结构的刚度，一个明显的可能原因是模型在每个层次上都假设相同的固相分数。

5）高层阶面的规模效应

实验表明由于终止于上层支撑杆表面的悬空，下层支撑杆不会承受任何载荷，这有效地降低了较低层级网络的连接性，从而降低了刚性。

6）形变过程中的微观结构演变

研究发现，N3PG的上层支撑似乎支持延性塑性弯曲，而NPG在弯曲中加载时通常较脆。

Fig. 1. N3PG的制备和纳米结构

Fig.2 尺寸对N3PG力学性能的影响

Fig.3 变形比较实验和MD模拟

文献信息：

Shan Shi, Yong Li, Bao-Nam Ngo-Dinh, et al. Tracing orbital images on ultrafast time scales (2021), http://doi.org/10.1126/science.abf3286

原文链接：

https://science.sciencemag.org/content/371/6533/1056