非晶合金纳米仿生材料的制备与力学性能研究

Metallic glasses have advantages of high strength, hardness and elasticity, which render them great potential as mechanical materials for applications. However, metallic glasses lack toughness and plasticity, which hinders their wide applications. Recent studies in biomimetics have demonstrated that combining two or more constituent materials with significantly different mechanical and physical properties can produce a composite material with greatly improved mechanical properties. We propose here to build composite materials using metallic glasess and soft matters, imitating materials in nature, to realize materials with properties of both good toughness, plasticity and high strength. Moreover, we will study the fracture mechanism of the fabricated composite materials using mathematical model and computational simulation, which can further conduct the design of the metallic glass composite materials.

非晶合金因其高强度、高硬度和高弹性的优点而具有巨大的应用前景。但是，非晶合金材料缺乏大的韧性和塑性，所以其目前尚未实现广泛应用。最新仿生材料学的研究表明，通过使用具有不同特性的材料仿照生物材料的微观结构进行组合，可以实现具有远超越其组份性能的全新力学材料。在本立项中，我们提出使用非晶合金和软韧材料制备仿生结构复合材料，利用先进的实验方法通过交替生长制备样品以获得兼具大韧性、塑性和高强度的非晶合金复合材料。我们还将利用数学模型和计算机模拟的方法对仿生结构复合材料的断裂机制进行深入分析，从而进一步优化非晶合金复合材料的设计。

非晶合金(又名金属玻璃)是一种具有高强度、高硬度和高弹性的优异力学性能的材料。通过将非晶合金与其他常规材料结合，设计特定的仿生周期性结构，有望实现更加优异的力学性能。在这个方向上，存在一系列需要解答的原理性的、基础性的机制性问题和实验制备的技术性困难。在本项目中，我们在这两方面都进行了探索。首先，我们针对非晶合金自身力学性能的微观机制进行了研究。我们从模拟计算中发现了非晶合金材料中的本征非均匀结构。我们发现非晶合金内同时存在类固态的基底区域和类液态的流变单元区域，这些中微观结构非均匀性是非晶合金特殊力学性能的微观起源。之后，从理论角度我们建立了动剪滞模型。这个模型可以出色描述非晶合金内的应力耗散过程。我们利用建立的动剪滞模型进一步研究了非晶态合金材料的界面效应对力学性能的影响。非晶合金材料的界面效应是决定复合材料性质的关键因素。最后，仿照贝壳的层状结构，我们实验制备了非晶合金/常规软材料多层复合结构样品，并对样品进行了初步的表征以及力学测试。本项目的研究结果为未来实现具有更加复杂结构和优良力学性能的非晶合金仿生复合材料奠定了基础。