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Cr20Mn20Fe20Co35Ni5（at.%）高熵形狀記憶合金（HESMA）泡沫為骨架，將負(fù)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。

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。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。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151222

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(xiàn)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(yuǎn)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(dá)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(rèn)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?fù)浣Y(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。