學(xué)科動態(tài)

1 加州大學(xué)研究人員在螳螂蝦指節(jié)中發(fā)現(xiàn)一種高剛度大阻尼抗沖擊涂層

自然界利用現(xiàn)有資源，在有限的環(huán)境條件下組建了輕質(zhì)、堅(jiān)固、堅(jiān)韌的材料。例如，螳螂蝦指關(guān)節(jié)的迎撞面就是這類典型的復(fù)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(xué)研究人員發(fā)現(xiàn)螳螂蝦的指節(jié)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(yīng)變率沖擊下（約104s?1），粒子旋轉(zhuǎn)和平移，而納米晶網(wǎng)絡(luò)在低角度晶界處發(fā)生斷裂，形成位錯(cuò)并發(fā)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(shù)約為0.02），相互滲透的有機(jī)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(yōu)于許多工程材料。這些新發(fā)現(xiàn)可為結(jié)構(gòu)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(xué)等研究人員首次定量描述了銅箔材料在高應(yīng)變率下的失效過程

理解高速碰撞以及隨后的高應(yīng)變率材料變形和潛在的災(zāi)難性破壞，對于包括天體物理學(xué)、材料科學(xué)和航空航天工程在內(nèi)的系列科學(xué)和工程學(xué)科至關(guān)重要。由于在極短時(shí)間尺度下，用實(shí)驗(yàn)來量化材料的演變面臨著巨大挑戰(zhàn)，相關(guān)變形和破壞機(jī)制還很不明確。美國邁阿密大學(xué)等研究人員將銅箔通過皮秒激光燒蝕實(shí)現(xiàn)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(jìn)行原位探測，首次定量描述了材料在高應(yīng)變率條件下的失效過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)最終破壞是通過空洞成核、增長和聚合發(fā)生的，與分子動力學(xué)模擬的結(jié)果吻合較好。發(fā)展和應(yīng)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(yīng)變率層裂破壞進(jìn)行定量表征，是對廣角X 射線散射（WAXS）的補(bǔ)充，具有重要的應(yīng)用價(jià)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(xiàng)科技大學(xué)等研究人員發(fā)現(xiàn)了高熵合金納米材料在應(yīng)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(yīng)變率（約10?4s?1）下觀察到，這使得加工時(shí)間大大增加，由于經(jīng)濟(jì)原因?qū)е虏贿m合大規(guī)模生產(chǎn)。而超過10?2s?1應(yīng)變率下的超塑性，通常只能在低強(qiáng)度的鎂和鋁合金中才能出現(xiàn)。韓國浦項(xiàng)科技大學(xué)等研究人員通過高壓扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了Al9(CoCrFeMnNi)91高熵合金納米材料在應(yīng)變率5×10?2s?1下的超塑性，其伸長率達(dá)到了原始長度的2000%。多相合金中的高壓扭轉(zhuǎn)誘導(dǎo)晶粒細(xì)化與熱塑性變形過程中的有限晶粒增長相結(jié)合，通過位錯(cuò)活動調(diào)節(jié)晶界滑移，實(shí)現(xiàn)了高應(yīng)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(dá)大學(xué)等研究人員開發(fā)了一種用于描述含能材料激波-爆炸轉(zhuǎn)換的多尺度方法

佛羅里達(dá)大學(xué)、佛羅里達(dá)理工學(xué)院以及洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室等科學(xué)家合作開發(fā)了一種耦合微觀尺度空洞坍塌動力學(xué)到介觀尺度模擬中的多尺度方法，可以描述微觀結(jié)構(gòu)在起爆中發(fā)揮的重要作用。第一步，作者進(jìn)行空隙塌陷模擬，并收集點(diǎn)火時(shí)間和總輸出功率與沖擊壓力和空隙直徑的關(guān)系；第二步，通過將功率沉積項(xiàng)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(dú)的反應(yīng)物和產(chǎn)物狀態(tài)方程，并在反應(yīng)區(qū)中定義了混合規(guī)則，可以獲得與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更好的一致性。由于沒有HMX 單晶數(shù)據(jù)，因此用PBX9501替代（即含95%HMX），優(yōu)勢是PBX9501數(shù)據(jù)比較全面。另一個(gè)改進(jìn)是介觀尺度上的動力學(xué)建模。作者采用了基于壓力的冪定律，針對實(shí)驗(yàn)的Pop-plot 數(shù)據(jù)和CJ 點(diǎn)附近爆轟曲線斜率進(jìn)行了校準(zhǔn)。以前的校準(zhǔn)過程是在連續(xù)范圍內(nèi)進(jìn)行的，沒有考慮微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)；該論文是研究空洞塌陷而引起的起爆，因此包括了微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。

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(jié)構(gòu)的稠環(huán)單質(zhì)炸藥

中物院化工材料研究所與美國愛達(dá)荷大學(xué)研究人員近期利用分子間氫鍵和偶極-偶極協(xié)同相互作用，聯(lián)合研究制備出一種新的含能材料NAPTO。該物質(zhì)不僅含有稠環(huán)母體結(jié)構(gòu)，還具有超平的二維層狀堆積結(jié)構(gòu)，分子中所有原子處于同一平面內(nèi)，二面角均為0°或180°。其平面性優(yōu)于常見的二維層狀單質(zhì)炸藥如TATB、FOX-7等，成為首個(gè)具有類石墨烯結(jié)構(gòu)的稠環(huán)單質(zhì)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(yōu)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(jī)械感度雙重優(yōu)點(diǎn)。

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.