北航岳永海课题组在轻质高强领域系列成果

前言

轻质、高强、高韧的新型复合材料是仪器、设备轻量化设计的关键环节，尤其是在国防科技领域，对新材料的轻质、强度和刚度、抗应力腐蚀性能、抗疲劳性能和断裂性能等提出了更高的技术要求。

北京航空航天大学岳永海教授主要从事材料强韧化机制的原位研究及新型轻质高强纳米复合材料的制备及性能研究。

承担国家自然基金优秀青年科学基金等项目，发表SCI论文40余篇，以第一/通讯作者身份在国内外化学、材料领域重要期刊如Nature, Nat. Commun., Matter, J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Nano. Lett., ACS Nano等期刊上发表论文20余篇。

岳永海教授课题组部分代表性研究成果包括但不限于：

1.Nature

具有卓越韧性的分级结构金刚石复合材料

作为自然界中最坚硬的金刚石，虽然有着广泛的应用前景，但是与其无与伦比的硬度相比，其固有的脆性极大地限制了它的应用。如何协同提高其硬度和韧性一直是材料科学研究面临的重要挑战之一。

纳米孪晶化可以有效地提高金刚石的硬度，改变制备条件引入非3C相金刚石多型结构（如2H, 4H, 9R, 15R等）将有望进一步提高其韧性。从原子尺度理解其强韧化作用机制有利于设计新型超硬、超韧金刚石，而且对于发展性能更加优越的超硬材料和工程陶瓷将起到积极的指导作用。

鉴于此，岳永海教授、郭林教授课题组与燕山大学田永君院士团队通力合作，在充分理解非3C金刚石多型结构基础上采用原位力学实验方法从微纳尺度乃至原子尺度系统研究了具有多级结构的纳米孪晶复合金刚石的增韧机制。

在扫描电镜中原位力学测试设备测得该纳米孪晶复合金刚石的韧性是合成金刚石的5倍以上，甚至比镁合金还要大。断裂过程中，在3C（立方）区域，裂纹沿着{111}面扩展，形成“之”字形传播路径；在非3C多形体区，裂纹的传播变得蜿蜒曲折，并在裂纹表面附近发生相变转变为稳定的3C金刚石。这几种增韧机制协同作用极大地提高了材料的韧性。

图1.纳米孪晶复合金刚石及纯孪晶相金刚石材料的原位弯曲变形过程及与其他工程材料硬度和断裂韧性的比较

图2. TEM中纳米孪晶复合金刚石结构的弯曲变形实验及增韧机制

原文链接

Yonghai Yue, et al., Hierarchically structured diamond composite with exceptional toughness, Nature, 2020, 582, 370.

DOI: 10.1038/s41586-020-2361-2

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2361-2 

2.Matter：

非晶氧化铝纳米片/聚乳酸人造珍珠层

开发兼具高韧性和其他优异机械性能的新型轻质高强材料是现代材料工程中最重要的目标之一。自然界中的一些典型天然生物硬质材料，在生物矿化过程将有限的物质构筑成特殊的结构单元，实现其机械性能的完美组合。

生物矿化过程中，非晶态矿物能够大幅提升材料的力学响应。构筑非晶相增强纳米复合材料可以为设计高强、高韧、轻质的新型复合材料提供新的策略。

鉴于此，岳永海教授与郭林教授提出了一种非晶相增强策略，可控组装了一种光学透明且兼具高韧的非晶氧化铝/聚乳酸（AAs/PLA）仿贝壳复合材料。

非晶相增强的混合界面和高度有序的层状结构对机械性能的改善（尤其是韧性）起到了至关重要的作用。AAN拉伸应变接近500 %，具有超高的断裂功（~103.5 MJ•m-3）明显优于其他PLA基材料。

课题组借助于实验室近年来搭建的原位微纳尺度力学实验平台，揭示了AAN增强与增韧机理。在拉伸变形和断裂过程中，AAN的微裂纹表现出更倾向于偏转、分叉、相互交错和钝化等过程，AAN断口附近存在很多悬而未断的纤维材料，可进一步阻止裂纹的扩展或屏蔽局部应力场。

图3. 材料组装方法及其微结构特点

原文链接

Ke Chen, Jin Ding, Lidong Li, Guangyi Shang, Yonghai Yue*, Lin Guo*, Amorphous Alumina Nanosheets/Polylactic Acid Artificial Nacre, Matter, 2019, 1, 1385.

DOI: 10.1016/j.matt.2019.09.012

https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.09.012

3.ACS Nano：

双相超高强度弹性陶瓷

随着航空航天领域的快速发展，对于新型航空航天材料的要求越来越高。氧化锆作为一种性能优良的陶瓷材料，在耐高温隔热材料、结构增强材料以及耐化学腐蚀材料等领域具有广阔的应用前景。

氧化锆陶瓷材料虽然具有很高的刚度和非凡的强度，但通常具有高脆性且拉伸强度不高，极大限制了其在航空航天等领域的应用。如何制备超强超韧的陶瓷材料是一个世界性的问题，一直吸引着科学家的兴趣。

非晶化和尺寸限制常被用作增强材料的有效策略。鉴于此，岳永海教授和郭林教授采用新型的结构设计以及超声辅助液相反应法，在非晶氧化锆陶瓷基体中成功引入超细纳米晶，利用非晶基体抑制内部纳米晶的晶界行为，同时利用纳米晶抑制非晶基体的剪切带软化作用。

借助于实验室自搭建的原位微纳尺度力学实验平台，在SEM中进行的原位拉伸试验表明：通过非晶化和纳米晶结构的可控组合成功地抑制了剪切带软化效应和反Hall-Petch效应，在400℃处理的DP-ZrO2 NW具有最优异的机械性能。

该双相ZrO2纳米线的极限强度达到3.52 GPa，最高弹性应变极限接近~7%，韧度达到~151 MJ·m-3，使其成为目前最强、最韧的氧化锆陶瓷材料，同时还具有较低的模量(34-43 GPa)。该结构设计方案是一种有效的材料增强策略，可应用于其他脆性陶瓷材料中并拓宽其应用范围。

图4. DP-ZrO2纳米线的表征

图5. 实验配置和原位SEM拉伸测试

原文链接

Fengshi Li, Hewei Zhao, Yonghai Yue*, Zhao Yang, Youwei Zhang and Lin Guo*, Dual-Phase Super-Strong and elastic ceramic, ACS Nano, 2019, 13, 4191.

DOI: 10.1021/acsnano.8b09195

https://doi.org/10.1021/acsnano.8b09195

4.Advanced materials: 

三维互锁骨架以实现卓越的机械性能

传统的材料设计一直是重量、强度和韧性之间的折衷。为了开发下一代轻质高强韧复合材料，必须建立新的材料设计策略，其中，聚合物和陶瓷是追求轻质高强度复合材料的理想选择。

经过数百万年的进化，珍珠层（珍珠母）已经形成了独特的“砖和砂浆”微观结构，由95 vol%的无机物和5 vol%的有机片层组成。珍珠层是以轻质方式将高强度和高韧性结合在一起的最有效材料之一。

鉴于此，岳永海教授与郭林教授采用简单的冷冻铸造方法，创造性地合成了具有三维互锁骨架结构的大块陶瓷/聚合物复合材料。

力学性能测试结果显示，由于三维互锁骨架结构的引入，使得 Al2O3/CE 复合材料的强度达到了270 MPa 以上，比强度为162 MPa (g cm−3)−1。

同时，该材料不仅具有非常优异的静压性能，动态测试结果也显示出了其优异的抗冲击性能。

此外，该氧化铝三维骨架结构可以长期耐受超过1800℃的高温，对于将来设计新的金属-陶瓷基高温复合材料提供了新的思路，有望用在高温等极端服役环境中。

图6. 三维有序互锁结构的氧化铝陶瓷骨架及其复合材料的力学性能的测试

原文链接

Hewei Zhao#, Yonghai Yue#, Lin Guo*, Juntao Wu, Youwei Zhang, Xiaodong Li*, Shengcheng Mao, and Xiaodong Han*, Cloning Nacre’s 3D Interlocking Skeleton in Engineering Composites to Achieve Exceptional Mechanical Properties, Adv. Mater. 2016, 28, 5099.

DOI: 10.1002/adma.201600839

https://doi.org/10.1002/adma.201600839

小结

近年来，课题组在新型轻质高强纳米复合材料的制备及性能测试方面做了大量的工作，此外，课题组也一直致力于原位实验方法的发展与创新，构建多场耦合服役环境下对材料的力学行为进行系统的研究，拟解决复杂外场环境的可控施加和原位动态机制的揭示。