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中南大学李周教授、龚深教授 CEJ：通过构建双尺度高熵合金/聚合物互穿网络开发轻质高强高阻尼复合材料

时间：2024-06-05 来源： 浏览：

中南大学李周教授、龚深教授 CEJ：通过构建双尺度高熵合金/聚合物互穿网络开发轻质高强高阻尼复合材料

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随着航空航天和轨道交通等领域的快速发展，对具有良好力学和阻尼性能的轻量化材料有迫切需求。使用结构功能一体化材料制成机械部件，可实现减重减振，有利于提高设备的机动性和精度。此外，有些设备处于温度和频率多变的工作环境，这要求材料在具有高减振效果的同时，兼具较宽温度和频率范围内的适用性。然而，产生高阻尼能力的内部结构特征（可移动缺陷）与产生良好力学性能（不可移动缺陷）的机制成倒置关系。因此在传统的阻尼材料设计理念中，高阻尼和高强度通常是互斥的。
近日， 中南大学材料科学与工程学院李周教授和龚深教授等人提出了一种双尺度互穿网络设计策略，开发出双尺度 CrMnFeCoNi/ 聚合物互穿相复合材料（ IPCs ）。 在宏观尺度下，以具有热弹性马氏体相变和连通孔隙的 Cr 20 Mn 20 Fe 20 Co 35 Ni 5 （ at.% ）高熵形状记忆合金（ HESMA ）泡沫为骨架，将负载 CrMnFeCoNi 纳米合金的碳纳米管（ CrMnFeCoNi@CNTs ）与聚氨酯 / 环氧树脂互穿聚合物网络（ PU/EP IPN ）组成的复合体渗入到连通孔隙中，形成 HESMA 泡沫 / 聚合物互穿网络结构。该结构既能有效减轻阻尼合金的重量，又能弥补聚合物强度低和尺寸稳定性差的缺点，还在互穿相之间形成了高密度的界面。此外， HESMA 和聚合物的结构完整性和连续性允许它们发挥各自的阻尼机制，通过叠加多重阻尼实现宽频域和宽温域内的高阻尼能力。在微观尺度下，形成高熵纳米合金 /CNT/ 聚合物互穿网络结构能大幅增加聚合物内界面，提高其刚度和强度，拓宽其阻尼温域，还能在聚合物中形成连通的导热网络提高热能耗散能力。
2024年4月11日，相关工作以“ Constructing dual-scale high-entropy alloy/polymer interpenetrating networks to develop a lightweight composite with high strength and excellent damping capacity ”为题发表在国际著名期刊《 Chemical Engineering Journal 》上。
这项研究不仅对减振降噪应用具有吸引力，而且提供了一个新的设计理念和制造方法，可以应用于其他材料体系以提高性能。
图 1.  双尺度 CrMnFeCoNi/ 聚合物 IPC 的合成过程
图 2. 1-6# 样品的（ a ）室温压缩应力 - 应变曲线，（ b ）能量吸收能力和效率，（ c ）室温下和 0.1~200 Hz 频域内的储能模量和损耗因子，（ d ） 200 Hz 下加热过程中 20 至 150℃ 的储能模量和损耗因子和（ e ）综合性能数据；比较本工作中双尺度 CrMnFeCoNi/ 聚合物 IPCs 与其他文献报道多孔材料和 IPCs 的（ f ）损耗因子和比强度，以及（ g ）阻尼温度窗口
图 3. CrMnFeCoNi 泡沫的（ a ） DSC 曲线，（ b ） SEM 图像，（ c ） EDS 元素图，（ d ） X 射线显微图像，（ e ）重构的三维显微图像，（ f ）重构的三维孔隙结构，（ g ）孔隙网络的球棍模型模拟结果，（ h ）孔径分布图，（ i ）喉道连接数分布图，（ j ）喉道直径分布图和（ k ）喉道长度分布图
图 4. 退火态 CrMnFeCoNi 泡沫的（ a ）室温 XRD 谱， EBSD （ b ）晶界图，（ c ） IPF 图，（ d ）相分布图，（ e ）远离孔隙和（ f-h ）孔隙边缘的 TEM 图像（ g 中插图为轮廓区域的 SAED 花样），（ i ） I 区域的 HRTEM 图像（插图为 FFT 图案）， J 区域的（ j ） HRTEM 图像和（ k ） FFT 图案
图 5. （ a ） CNTs 和 CrMnFeCoNi@CNTs 的室温 XRD 谱；（ b ） CNTs 的 TEM 图像； CrMnFeCoNi@CNTs 的（ c ， d ） TEM 图像，（ e-g ） HRTEM 图像，（ h ） FFT 图案和（ i ） HAADF 图像和 EDS 元素图
图 6. 微观尺度 CrMnFeCoNi@CNT/ 聚合物互穿网络的（ a ） TEM 图像，（ b-d ） HRTEM 图像，（ e ） SAED 花样和（ f ） HAADF 图像和 EDS 元素图
图 7. （ a ）双尺度 CrMnFeCoNi/ 聚合物 IPCs 中多尺度下多重阻尼机制示意图；（ b ）建模示意图；（ c ）应力分析图；（ d ） 1-6# 样品的损耗因子的实验值和模拟值（插图为界面总面积）；（ e ） 1-6# 样品中各相的应变能损耗占比；双尺度 CrMnFeCoNi/ 聚合物 IPC-2 中（ f ）宏观尺度 CrMnFeCoNi/ 聚合物互穿网络和（ g ）微观尺度 CrMnFeCoNi@CNT/ 聚合物互穿网络在 20~150℃ 温域内多重阻尼机制的分解结果
综上所述，该研究报道了具有高强度和优异阻尼能力的双尺度 CrMnFeCoNi/ 聚合物 IPCs 。其中，双尺度 CrMnFeCoNi/ 聚合物 IPC-2 的抗压强度和能量吸收能力分别为 37.2 MPa 和 22.5 MJ·m -3 （ ε=65% ），密度仅为 2.528 g·cm -3 。在 20~150℃ 的宽温域内，其损耗因子大于 0.132 ，峰值可达 0.206 。相比于 CrMnFeCoNi 泡沫，其抗压强度，能量吸收能力和内耗峰值分别提高了 85% ， 65% 和 156% ，其优异的力学和阻尼性能被认为是双尺度互穿网络结构设计的结果。首先，各相之间三维互连和交织的复杂拓扑结构有利于实现复合材料内部的应力转移，增加变形协调性和强化效应，提升复合材料强度和能量吸收能力。其次，双尺度互穿网络结构引入的高密度界面能够有效增加界面阻尼。三相微观力学模型计算结果表明，多尺度本征阻尼（ CrMnFeCoNi 泡沫，聚合物和 CrMnFeCoNi@CNTs ）与多尺度界面阻尼（ CrMnFeCoNi 泡沫 / 聚合物和 CrMnFeCoNi@CNTs/ 聚合物）的耦合赋予了复合材料高基态阻尼。此外，引入 CrMnFeCoNi@CNTs 拓宽了聚合物的玻璃化转变峰。 CrMnFeCoNi 泡沫的 ε→γ 逆马氏体相变峰和聚合物复合基体的玻璃化转变峰的叠加，使复合材料在宽温域具有高阻尼能力。这种低密度、高强度和优异阻尼能力的组合性能，使该复合材料成为抗冲击和减振减重应用的候选者。

原文链接

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

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