重磅《Science》：不可思议的方法！生产轻质高强金属材料！
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导读：去合金化可在金属中产生空隙，从而减轻了材料的重量。然而，当固体分数低于约30％时，机械性能迅速降低。德国科研人员发现两个去合金步骤可以制造固体分数低至12％的银金合金。出乎意料的是，此过程不会降低机械性能，同时允许合成大量样品，该策略应适用于其他合金系统，为创建坚固轻巧的材料提供新途径。
具有几个相关长度尺度的层次结构在自然、工程和社会中很常见。众所周知，自然界利用层次结构来优化珍珠层、骨骼和牙釉质的断裂韧性，宏大而坚固的轻型分层桁架结构已经使用了一个多世纪，通过利用现代的三维（3D）制造技术，目前这种方法已被转移到微尺度。
将建筑桁架结构的尺寸推进到纳米范围已被认为是有益的，因为这利用了金属纳米结构的高强度。使用尺寸为10纳米的支板意味着一立方毫米有1014个支板。与3D制造不同，制造如此多的微观结构元素需要自组织过程，这是材料科学中微观结构演化的特征。换句话说，通过可扩展的材料制备路线来制造真正的纳米尺度的开放网络结构，从而产生宏观实体，是一个非常有趣的领域。虽然这些方法证明了自然自组织过程的多功能性，但它们还没有达到结构层次。不同的路径可以导致纳米多孔金属的层次结构，但均质宏观体是例外，这类材料有趣的力学性能仍有待证明。
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。在此过程中，腐蚀从固溶体中去除了一种成分，其余成分重新组织形成了开放网络材料。去合金化可生产尺寸为毫米或厘米的均匀的整体式本体，而支撑杆的尺寸可低至几纳米。结构层次结构可以增强材料和系统的机械性能。自然界中的珍珠母或搪瓷的断裂韧性和人造的微尺度网状结构可以证明这一点。纳米级结构有望进一步加强，但是以这种方式构建的宏观物体包含大量支柱，因此需要可扩展的制备方案。
在此，德国亥姆霍兹研究中心和汉堡-哈尔堡工业大学的科研人员展示了由去合金的自组织过程制成的宏观层次网状纳米材料。它们的分层体系结构在给定的固体分数下可提供增强的强度和刚度，并且通过去合金可减少固体分数。相关研究成果以题“Scaling behavior of stiffness and strength of hierarchical network nanomaterials”发表在Science 上
论文链接：
https://science.sciencemag.org/content/371/6533/1026?rss=1
研究者报道了一种可扩展和可控制备、没有宏观缺陷的嵌套网络纳米孔金(N3PG)宏观整体的去合金方法。在给定的固相分数下层次结构提供了增强的强度和刚度，并通过去合金降低了固相分数。力学和原子模拟支持了这些观测结果。揭示了在纳米网络结构中分层结构的系统性优点，该材料可以作为未来轻型结构材料的原型。
图1 N3PG的制备和微观结构表征。
（A）示意图，描述了整体，无裂纹的N3PG的合成路线。阶段i：Ag93Au7master合金在0.01 M H2SO4水溶液中的电化学脱合金作用产生单峰双连续多孔结构，并保留大量的Ag。（B至D）SEM图像显示（B）脱合金纳米多孔Ag76Au24，（C）纳米多孔Ag76Au24（400°C持续30分钟）和（D）制备的N3PG的断裂表面微观结构。（E到G）光学显微镜图像显示了（E）脱合金纳米多孔Ag76Au24，（F）纳米多孔Ag76Au24粗化（400°C 30分钟）和（G）制备的N3PG的无裂纹概况。
图2 在N3PG上具有各种固体成分的单轴宏观压缩。
（A）用于压缩测试的常规宏观测试设备的照片。局部放大图（顶部）显示了压缩压板上的毫米大小的样品。（B）工程应力-应变曲线（σ-ε），包括N3PG的卸载和再加载段，初始固体分数（φ）在0.119至0.165之间。（C）有效的杨氏模量（E）在压缩过程中的惯性。（D到E）E和s与φ的关系。
图3 具有不同数量等级级别的NPG的刚度和强度与实心分数的缩放行为。
（A）有效杨氏模量（E）对固体分数（φ）。（B）归一化屈服强度（σ/σ0）对φ。σ0表示最低层级的局部支撑强度。实心符号，实验性N3PG（n = 2）。开放符号，来自各种来源的实验性非分级NPG（n = 1）的文献数据。星号，具有单个等级（n = 1）的自旋轴和自组织纳米级网状结构的模拟数据。线，理论递归均化，等式4和5；虚线，吉布森-阿什比定律。
该材料的特征是在两个不同的长度尺度上具有自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1012struts数量级，比架构的网状结构高出几个数量级。我们建议，结构层次结构可以减轻在形成网状纳米材料的纳米级工艺中固有的连通性损失。实际上，对于给定的固体分数，与具有相似几何结构但只有单个特征长度尺度的材料相比，我们的分层材料的刚度和强度得到了系统性的增强。
图4 尺寸对N3PG的机械性能有影响。
（ii）阶段II（粗纳米多孔Ag-Au）样品具有不同支杆尺寸的（A）的SEM图像：（A）45 nm，（B）110 nm和（C）180 nm。（D至F）基于（A）至（C）中的样品的第iii阶段（N3PG）的SEM图像。在较低的层级，L1 = 15 nm，支撑杆尺寸相似，但是在较高的层级，L2 = 45至180 nm，支撑杆尺寸存在差异。（G）第（ii）阶段和第（iii）阶段样品的有效杨氏模量（E）与固体分数（φ）的log-log图，如（A）至（F）所示。L2的值用标签表示。（H）对于（G）的样品，在10％压缩应变下E与L2的对数线性图。箭头表示两种状态之间的E降低。较小的L2发生相对较高的减小，这表明较高层级的支柱的尺寸依赖于弹性。
图5 变形实验与MD模拟的比较。
（A）通过MD模拟得出的压缩工程应力应变（σ-ε）曲线。（插图）数字样品的微观结构图，松弛（底部）和29％压缩后（顶部）。粗箭头，压缩轴；细箭头，在压缩过程中形成接触。保留了两个明确定义的支柱尺寸。新联系人仅在上级层次上形成。（B）通过实验的压缩应力-应变曲线。（插图）实验样品在55％压缩应变后的劈裂面（包含载荷轴;箭头）的SEM图像。尽管变形很大，但仍保留了两个明确定义的支柱尺寸和较低层级的高孔隙率。（C和D）流动应力（s）和有效杨氏模量（E）相对于固体分数（φ）的变化。（C）和（D）中用于仿真（红色圆圈）和实验（黑色正方形）的数据来自（A）和（B）。
图6 小角度干涉函数在变形过程中的变化。
（A）对于数值模型结构，在各种工程应变后卸载的传统取向平均干涉函数S对原子的对数对数图与波矢量幅值q的对数关系图（图例）。虚线：波场的q值，生成两个层次级别的网状结构。（B）S（q）的对数-对数图，这里是在负载轴方向（轴向）和垂直于该轴的平面（横向）中±15°扇区平均S。为了清楚起见，横向图已垂直移动。
总之，尽管我们的实验使用去合金的Au作为模型材料，但当前的研究将去合金的材料推广到更轻，更坚固，成本更低的金属上。这表明我们的工作中建立的方法为未来的轻质纳米材料提供了机会，这些材料在低固含量下具有增强的力学性能。