學科動態

1 加州大學研究人員在螳螂蝦指節中發現一種高剛度大阻尼抗沖擊涂層

自然界利用現有資源，在有限的環境條件下組建了輕質、堅固、堅韌的材料。例如，螳螂蝦指關節的迎撞面就是這類典型的復合材料，此類蝦具有在攝食過程中避免高速碰撞造成巨大傷害的能力。美國加州大學研究人員發現螳螂蝦的指節包含一層由納米顆粒緊密堆積的抗沖擊涂層，這些納米顆粒由排列整齊的小納米晶體組成。在高應變率沖擊下（約104s?1），粒子旋轉和平移，而納米晶網絡在低角度晶界處發生斷裂，形成位錯并發生非晶化。此外，這種材料在保持高剛度（彈性模量約為58.9 GPa）的情況下還具有較大的阻尼（損耗系數約為0.02），相互滲透的有機網狀結構提供了額外的增韌和阻尼，這種罕見的剛度和阻尼組合在工程材料中并不常見，其性能也優于許多工程材料。這些新發現可為結構的高速沖擊和破壞失效提供新的研究思路。

源自：HUANG W,MEHDI S, NICOLASG Z,et al.A natural impact-resistant bicontinuous composite nanoparticle coating [J].Nature Materials,2020,19:1236?1243.

2 邁阿密大學等研究人員首次定量描述了銅箔材料在高應變率下的失效過程

理解高速碰撞以及隨后的高應變率材料變形和潛在的災難性破壞，對于包括天體物理學、材料科學和航空航天工程在內的系列科學和工程學科至關重要。由于在極短時間尺度下，用實驗來量化材料的演變面臨著巨大挑戰，相關變形和破壞機制還很不明確。美國邁阿密大學等研究人員將銅箔通過皮秒激光燒蝕實現快速變形（0.5×109s?1），并利用30-fs超快X 射線自由電子(XFEL)脈沖進行原位探測，首次定量描述了材料在高應變率條件下的失效過程。結果發現最終破壞是通過空洞成核、增長和聚合發生的，與分子動力學模擬的結果吻合較好。發展和應用具有飛秒分辨率的原位超快小角度X 射線散射（SAXS）對高應變率層裂破壞進行定量表征，是對廣角X 射線散射（WAXS）的補充，具有重要的應用價值。

源自：JAMES C,ANDREW H,DAVID M,et al.Femtosecond quantification of void evolution during rapid material failure[J].Science Advances,2020,6(51):eabb4434.

3 韓國浦項科技大學等研究人員發現了高熵合金納米材料在應變率5 ×1 0 ?2 s?1 下的超塑性

超塑性描述的是材料以拉伸延伸的形式將大塑性變形維持到其原始長度400%以上的能力，但通常只能在低應變率（約10?4s?1）下觀察到，這使得加工時間大大增加，由于經濟原因導致不適合大規模生產。而超過10?2s?1應變率下的超塑性，通常只能在低強度的鎂和鋁合金中才能出現。韓國浦項科技大學等研究人員通過高壓扭轉試驗，發現了Al9(CoCrFeMnNi)91高熵合金納米材料在應變率5×10?2s?1下的超塑性，其伸長率達到了原始長度的2000%。多相合金中的高壓扭轉誘導晶粒細化與熱塑性變形過程中的有限晶粒增長相結合，通過位錯活動調節晶界滑移，實現了高應變率下的超塑性。

源自：NGUYEN N T C,ASGHARI-RAD P,SATHIYAMOORTHIP,et al.Ultrahigh high-strain-rate superplasticity in a nanostructured high-entropy alloy [J]. Nature Communications,2020,11:2736.

4 佛羅里達大學等研究人員開發了一種用于描述含能材料激波-爆炸轉換的多尺度方法

佛羅里達大學、佛羅里達理工學院以及洛斯阿拉莫斯國家實驗室等科學家合作開發了一種耦合微觀尺度空洞坍塌動力學到介觀尺度模擬中的多尺度方法，可以描述微觀結構在起爆中發揮的重要作用。第一步，作者進行空隙塌陷模擬，并收集點火時間和總輸出功率與沖擊壓力和空隙直徑的關系；第二步，通過將功率沉積項添加到能量方程，將第一步的信息反饋給介觀尺度模擬。該研究通過使用單獨的反應物和產物狀態方程，并在反應區中定義了混合規則，可以獲得與實驗數據更好的一致性。由于沒有HMX 單晶數據，因此用PBX9501替代（即含95%HMX），優勢是PBX9501數據比較全面。另一個改進是介觀尺度上的動力學建模。作者采用了基于壓力的冪定律，針對實驗的Pop-plot 數據和CJ 點附近爆轟曲線斜率進行了校準。以前的校準過程是在連續范圍內進行的，沒有考慮微觀結構的細節；該論文是研究空洞塌陷而引起的起爆，因此包括了微觀結構的細節。

源自：THOMASJ L,ZHANG J,SHORT M.Multiscale approach to shock to detonation transition in energetic materials[J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics,2020,45:316?329.

5 中物院化工材料研究所等研究人員制備出具有類石墨烯結構的稠環單質炸藥

中物院化工材料研究所與美國愛達荷大學研究人員近期利用分子間氫鍵和偶極-偶極協同相互作用，聯合研究制備出一種新的含能材料NAPTO。該物質不僅含有稠環母體結構，還具有超平的二維層狀堆積結構，分子中所有原子處于同一平面內，二面角均為0°或180°。其平面性優于常見的二維層狀單質炸藥如TATB、FOX-7等，成為首個具有類石墨烯結構的稠環單質炸藥，且層間距僅為2.855×10?10m。該新型化合物能量高（爆速為9.12 km/s，爆壓為35.1 GPa）、外部刺激敏感度優異（撞擊感度為18 J，摩擦感度為325 N，靜電放電感度為0.32 J）、熱分解溫度高（203.2℃），因此具有高能量和低機械感度雙重優點。

源自：FENG Y A,DENG M C,SONG SW，et al.Construction of an unusual two-dimensional layered structure for fused-ring energetic materialswith high energy and good stability [J].Engineering,2020,6(9):1006?1012.