麻省理工开发出可应于汽车的超级材料

发布时间：2014/7/7 0:06:26

日前，来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）和麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的研究人员表示已经成功研发出一种质量超轻且具有超高强度的新材料。该新材料密度与气凝胶（即冷凝烟雾）密度相同，但是由于其采用了微纳加工制造工艺，其强度提升了将近10000倍。以上研究团队发现的新成果被发表在了《科学》（Science）期刊杂志上。

微纳结构超级材料即便是在超低密度情况下，其单位质量密度始终维持在一定值。其中，该超级材料是由各向同性的微观单元组成的网格结构材料，并且其微观单元具有纳米级别尺寸，且具有非常强的结构连接性。以上微纳结构单元被设计成可以承受拉伸或压缩等负载。具有以上超轻超高强度特性的材料在未来将可以被用来设计成为飞机、汽车以及航天器的零部件。

超级材料研究团队的成员Zheng等表示：“以上具有微纳结构的“机械超级材料”可以有多种组成材料组成，并且其机械特性即便是在密度跨越三个数量级的情况下仍可以保持非常好的强度密度线性关系。我们前面介绍的“机械超级材料”是指那些具有某些相同机械特性的材料，以上“机械超级材料”具有相同的几何结构而并不一定是指其组成成分一致。我们此次设计的超级材料内部单元高度有序，其具有几近完美的各向同性，其微观组成单元是面心立方结构（face-centered cubic，fcc），其具有非常强的结构连接性。以上超级材料之所以能够达到超级低的密度，是通过制造微纳晶格得到的，其微纳晶格的特征尺寸为40纳米-20微米。我们此次研发的超级材料样品的密度为0.87千克/立方米-468千克/立方米，其相对密度为0.025%-20%。

抗拉伸性突出

机械超级材料的抗拉伸特性与其抗弯曲特性相比，其抗拉伸机械特性更为突出。因此，超级材料也具有更大的刚度重量比。这是由于以上超级材料在拉伸或压缩情况下其晶格结构可以承受更高的载荷。以上机械超级材料的基本晶格单元是一种八线结构，该结构有一个正八面体作为其晶格核心，并且在其正八面体的每个面上都分布有一个正四面体。以上超级材料的每个基本晶格单元都具有相同的纵横比例，并且在其每个晶格单元的节点上都连接有12个连接杆或空心管（即分子键）。由于以上超级材料的基本晶格单元都具有面心立方结构，所以由以上结构得到的材料具有几近完美的各向同性。在宏观尺度方面，以上超级材料的单轴压缩载荷、相对抗压刚度以及屈服强度在理论上是呈线性关系的。”

大多数的轻质材料在质量降低的同时会伴随出现密度降低等机械特性现象，这是由于其基本机械结构单元在一定载荷情况下更容易发生弯曲现象。但是，以上由麻省理工研发的超级材料即便是在密度跨越三个数量级的情况下仍表现出了非常好的强度特性。

技术论文主要作者Xiaoyu Zheng表示：“以上研发出的超级材料可以承受其自身重量160,000倍的载荷。其中，以上超级材料之所以可以得到如此强大的刚度数值是因为其采用的微纳结构在设计之初就被设计成为在一定载荷下也不会发生弯曲。”

根据以上麻省理工研究小组的研究结果，具有以上机械特性的超级材料可以有多种组成材料组成，其中包括聚合物、金属以及陶瓷等材料。

技术论文通讯作者和研究小组课题负责人Chris Spadaccini表示：“我们此次研发的超级材料之所以具有以上机械特性，是因为其在微观上具有相应的几何结构而并不是因为其化学组成成分的关系。我们通过微纳立体投影光刻技术可以得到我们所需要的材料。”

微纳加工技术主要通过微反射镜显示芯片利用感光原材料来得到高保真三维零部件的一个图层，每次成像均能得到一个图层。通过利用以上微纳加工技术，人们可以迅速地制造出具有复杂三维微观结构的材料，这对普通的加工工艺来说是*挑战的甚至是不可能完成的任务。

创新设计

麻省理工研发团队可以将聚合物、金属以及陶瓷设计生产成具有微观晶格结构。例如，研究人员将聚合物作为模板制成了具有微观晶格结构的材料。另外，研究人员还在该材料的表面镀上了一层薄薄的金属膜，金属膜的厚度为200纳米-500纳米。之后，聚合物材料再经过热处理去除掉，因此就得到了薄薄的金属膜管道。这样一来就得到质量超轻的金属晶格材料。

该研发团队重复试验制造得到了具有微观晶格结构的聚合物材料。此次涂覆在其表面的并不是金属材料而是陶瓷材料，陶瓷材料的涂覆层厚度约为50纳米。由此得到的陶瓷材料的密度与气凝胶的密度相同。

Chris Spadaccini对此表示：“我们试验研发得到的材料是世界上*轻质的材料。由于以上材料的微观几何结构，其在可比较的密度范围内其材料刚度比气凝胶刚度更高。”

*后，该研发团队通过利用略有不同的加工工艺试验得到了强度为原强度三分之一的微观几何结构材料。研究人员通过将聚合物与纳米陶瓷颗粒混合得到了聚合物-陶瓷混合晶格结构材料。之后，聚合物经过热处理去除掉，陶瓷颗粒再结晶固化。由此得到的全新陶瓷材料呈现出相类似的强度、刚度特性。

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