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中南大學(xué)李周教授、龔深教授 CEJ：通過構(gòu)建雙尺度高熵合金/聚合物互穿網(wǎng)絡(luò)開發(fā)輕質(zhì)高強高阻尼復(fù)合材料

時間：2024-06-05 來源： 瀏覽：

中南大學(xué)李周教授、龔深教授 CEJ：通過構(gòu)建雙尺度高熵合金/聚合物互穿網(wǎng)絡(luò)開發(fā)輕質(zhì)高強高阻尼復(fù)合材料

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隨著航空航天和軌道交通等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對具有良好力學(xué)和阻尼性能的輕量化材料有迫切需求。使用結(jié)構(gòu)功能一體化材料制成機械部件，可實現(xiàn)減重減振，有利于提高設(shè)備的機動性和精度。此外，有些設(shè)備處于溫度和頻率多變的工作環(huán)境，這要求材料在具有高減振效果的同時，兼具較寬溫度和頻率范圍內(nèi)的適用性。然而，產(chǎn)生高阻尼能力的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征（可移動缺陷）與產(chǎn)生良好力學(xué)性能（不可移動缺陷）的機制成倒置關(guān)系。因此在傳統(tǒng)的阻尼材料設(shè)計理念中，高阻尼和高強度通常是互斥的。
近日， 中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院李周教授和龔深教授等人提出了一種雙尺度互穿網(wǎng)絡(luò)設(shè)計策略，開發(fā)出雙尺度 CrMnFeCoNi/ 聚合物互穿相復(fù)合材料（ IPCs ）。 在宏觀尺度下，以具有熱彈性馬氏體相變和連通孔隙的 Cr 20 Mn 20 Fe 20 Co 35 Ni 5 （ at.% ）高熵形狀記憶合金（ HESMA ）泡沫為骨架，將負載 CrMnFeCoNi 納米合金的碳納米管（ CrMnFeCoNi@CNTs ）與聚氨酯 / 環(huán)氧樹脂互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)（ PU/EP IPN ）組成的復(fù)合體滲入到連通孔隙中，形成 HESMA 泡沫 / 聚合物互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)既能有效減輕阻尼合金的重量，又能彌補聚合物強度低和尺寸穩(wěn)定性差的缺點，還在互穿相之間形成了高密度的界面。此外， HESMA 和聚合物的結(jié)構(gòu)完整性和連續(xù)性允許它們發(fā)揮各自的阻尼機制，通過疊加多重阻尼實現(xiàn)寬頻域和寬溫域內(nèi)的高阻尼能力。在微觀尺度下，形成高熵納米合金 /CNT/ 聚合物互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能大幅增加聚合物內(nèi)界面，提高其剛度和強度，拓寬其阻尼溫域，還能在聚合物中形成連通的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)提高熱能耗散能力。
2024年4月11日，相關(guān)工作以“ Constructing dual-scale high-entropy alloy/polymer interpenetrating networks to develop a lightweight composite with high strength and excellent damping capacity ”為題發(fā)表在國際著名期刊《 Chemical Engineering Journal 》上。
這項研究不僅對減振降噪應(yīng)用具有吸引力，而且提供了一個新的設(shè)計理念和制造方法，可以應(yīng)用于其他材料體系以提高性能。
圖 1.  雙尺度 CrMnFeCoNi/ 聚合物 IPC 的合成過程
圖 2. 1-6# 樣品的（ a ）室溫壓縮應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線，（ b ）能量吸收能力和效率，（ c ）室溫下和 0.1~200 Hz 頻域內(nèi)的儲能模量和損耗因子，（ d ） 200 Hz 下加熱過程中 20 至 150℃ 的儲能模量和損耗因子和（ e ）綜合性能數(shù)據(jù)；比較本工作中雙尺度 CrMnFeCoNi/ 聚合物 IPCs 與其他文獻報道多孔材料和 IPCs 的（ f ）損耗因子和比強度，以及（ g ）阻尼溫度窗口
圖 3. CrMnFeCoNi 泡沫的（ a ） DSC 曲線，（ b ） SEM 圖像，（ c ） EDS 元素圖，（ d ） X 射線顯微圖像，（ e ）重構(gòu)的三維顯微圖像，（ f ）重構(gòu)的三維孔隙結(jié)構(gòu)，（ g ）孔隙網(wǎng)絡(luò)的球棍模型模擬結(jié)果，（ h ）孔徑分布圖，（ i ）喉道連接數(shù)分布圖，（ j ）喉道直徑分布圖和（ k ）喉道長度分布圖
圖 4. 退火態(tài) CrMnFeCoNi 泡沫的（ a ）室溫 XRD 譜， EBSD （ b ）晶界圖，（ c ） IPF 圖，（ d ）相分布圖，（ e ）遠離孔隙和（ f-h ）孔隙邊緣的 TEM 圖像（ g 中插圖為輪廓區(qū)域的 SAED 花樣），（ i ） I 區(qū)域的 HRTEM 圖像（插圖為 FFT 圖案）， J 區(qū)域的（ j ） HRTEM 圖像和（ k ） FFT 圖案
圖 5. （ a ） CNTs 和 CrMnFeCoNi@CNTs 的室溫 XRD 譜；（ b ） CNTs 的 TEM 圖像； CrMnFeCoNi@CNTs 的（ c ， d ） TEM 圖像，（ e-g ） HRTEM 圖像，（ h ） FFT 圖案和（ i ） HAADF 圖像和 EDS 元素圖
圖 6. 微觀尺度 CrMnFeCoNi@CNT/ 聚合物互穿網(wǎng)絡(luò)的（ a ） TEM 圖像，（ b-d ） HRTEM 圖像，（ e ） SAED 花樣和（ f ） HAADF 圖像和 EDS 元素圖
圖 7. （ a ）雙尺度 CrMnFeCoNi/ 聚合物 IPCs 中多尺度下多重阻尼機制示意圖；（ b ）建模示意圖；（ c ）應(yīng)力分析圖；（ d ） 1-6# 樣品的損耗因子的實驗值和模擬值（插圖為界面總面積）；（ e ） 1-6# 樣品中各相的應(yīng)變能損耗占比；雙尺度 CrMnFeCoNi/ 聚合物 IPC-2 中（ f ）宏觀尺度 CrMnFeCoNi/ 聚合物互穿網(wǎng)絡(luò)和（ g ）微觀尺度 CrMnFeCoNi@CNT/ 聚合物互穿網(wǎng)絡(luò)在 20~150℃ 溫域內(nèi)多重阻尼機制的分解結(jié)果
綜上所述，該研究報道了具有高強度和優(yōu)異阻尼能力的雙尺度 CrMnFeCoNi/ 聚合物 IPCs 。其中，雙尺度 CrMnFeCoNi/ 聚合物 IPC-2 的抗壓強度和能量吸收能力分別為 37.2 MPa 和 22.5 MJ?m -3 （ ε=65% ），密度僅為 2.528 g?cm -3 。在 20~150℃ 的寬溫域內(nèi)，其損耗因子大于 0.132 ，峰值可達 0.206 。相比于 CrMnFeCoNi 泡沫，其抗壓強度，能量吸收能力和內(nèi)耗峰值分別提高了 85% ， 65% 和 156% ，其優(yōu)異的力學(xué)和阻尼性能被認為是雙尺度互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計的結(jié)果。首先，各相之間三維互連和交織的復(fù)雜拓撲結(jié)構(gòu)有利于實現(xiàn)復(fù)合材料內(nèi)部的應(yīng)力轉(zhuǎn)移，增加變形協(xié)調(diào)性和強化效應(yīng)，提升復(fù)合材料強度和能量吸收能力。其次，雙尺度互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)引入的高密度界面能夠有效增加界面阻尼。三相微觀力學(xué)模型計算結(jié)果表明，多尺度本征阻尼（ CrMnFeCoNi 泡沫，聚合物和 CrMnFeCoNi@CNTs ）與多尺度界面阻尼（ CrMnFeCoNi 泡沫 / 聚合物和 CrMnFeCoNi@CNTs/ 聚合物）的耦合賦予了復(fù)合材料高基態(tài)阻尼。此外，引入 CrMnFeCoNi@CNTs 拓寬了聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變峰。 CrMnFeCoNi 泡沫的 ε→γ 逆馬氏體相變峰和聚合物復(fù)合基體的玻璃化轉(zhuǎn)變峰的疊加，使復(fù)合材料在寬溫域具有高阻尼能力。這種低密度、高強度和優(yōu)異阻尼能力的組合性能，使該復(fù)合材料成為抗沖擊和減振減重應(yīng)用的候選者。

原文鏈接

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151222

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