學(xué)科動(dòng)態(tài)

1 麻省理工學(xué)院研究人員發(fā)現(xiàn)金屬在極端沖擊下愈熱愈強(qiáng)的反常規(guī)現(xiàn)象[1]

材料的強(qiáng)度依賴于加載測試時(shí)的速率，這是因?yàn)槲诲e(cuò)等缺陷的變形移動(dòng)具有內(nèi)在的動(dòng)力學(xué)限制。隨著變形應(yīng)變率的增加，更多的強(qiáng)化機(jī)制被激發(fā)以增加其強(qiáng)度。麻省理工學(xué)院研究人員發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)變率大于 106 s?1 的微彈道沖擊測試中，當(dāng)溫度升高至157 ℃ 時(shí)，銅的強(qiáng)度會(huì)增加約30%，純鈦和金中也觀察到了這種效應(yīng)。這種現(xiàn)象是違反直覺的，因?yàn)閹缀跛胁牧显谡l件下加熱時(shí)都會(huì)變軟。純金屬的這種異常熱強(qiáng)化是由于控制變形機(jī)制從熱激活強(qiáng)化轉(zhuǎn)變?yōu)槲诲e(cuò)的類彈道傳輸引起的，位錯(cuò)通過聲子相互作用受到阻力。這些認(rèn)識(shí)為從高速加工操作到高超音速運(yùn)輸中更準(zhǔn)確地模擬和預(yù)測材料在各種極端應(yīng)變率條件下的性能提供了新的思路。

2 耶路撒冷希伯來大學(xué)研究人員實(shí)驗(yàn)證實(shí)拉伸裂紋速度可突破經(jīng)典速度限制[2-3]

脆性材料會(huì)因快速裂紋而失效。經(jīng)典斷裂力學(xué)描述了拉伸裂紋的運(yùn)動(dòng)，這些裂紋在尖端的點(diǎn)狀區(qū)域內(nèi)將耗散掉被釋放的彈性能。在這一框架內(nèi)，“經(jīng)典”拉伸裂紋并不能超過瑞利波速度。耶路撒冷希伯來大學(xué)研究人員實(shí)驗(yàn)利用水凝膠材料，通過實(shí)驗(yàn)證明了“超剪切”拉伸裂紋的存在。雖然水凝膠是一種柔性材料，但它的裂紋擴(kuò)展特性完全遵循脆性材料斷裂理論的預(yù)測。當(dāng)水凝膠的拉伸狀態(tài)超過極限時(shí)，拉伸裂紋的擴(kuò)展速度明顯地超過了瑞利波波速。超剪切動(dòng)力學(xué)遵循的原理與指導(dǎo)“經(jīng)典”裂紋的原理不同；這種斷裂模式在臨界（與材料相關(guān)）施加應(yīng)變下被激發(fā)。這種非經(jīng)典的拉伸斷裂模式顛覆了對(duì)斷裂力學(xué)的傳統(tǒng)認(rèn)知，亟需從理論層面揭示其存在的物理機(jī)制。

3 北京大學(xué)等研究人員開發(fā)了一種動(dòng)態(tài)強(qiáng)度高達(dá)14 GPa 的碳納米管纖維[4]

北京大學(xué)、北京石墨烯研究院、中國科學(xué)院力學(xué)研究所、武漢大學(xué)、中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所等研究人員提出了一種高強(qiáng)碳納米管纖維的多尺度結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略，系統(tǒng)提高了碳納米管管間作用、纖維取向性、致密性和動(dòng)態(tài)強(qiáng)度。在動(dòng)態(tài)沖擊性能的研究中，研究人員利用微尺度高速?zèng)_擊拉伸實(shí)驗(yàn)裝置，發(fā)現(xiàn)纖維隨著拉伸速度的提高發(fā)生韌脆失效模式的轉(zhuǎn)變，具有顯著的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。當(dāng)應(yīng)變率約1 400 s?1 時(shí)，纖維的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度達(dá)到14 GPa，突破了現(xiàn)有高性能纖維強(qiáng)度。運(yùn)用強(qiáng)激光誘導(dǎo)的高速橫向沖擊實(shí)驗(yàn)方法，揭示了微米直徑纖維單絲在模擬彈道沖擊加載下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)由于沖擊能量的快速非局域耗散而展現(xiàn)出優(yōu)異的防護(hù)性能，纖維比能量耗散功率遠(yuǎn)高于凱夫拉等傳統(tǒng)防彈纖維。這些發(fā)現(xiàn)表明碳納米管纖維在沖擊防護(hù)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

參考文獻(xiàn)：

[1]DOWDING I， SCHUH C A. Metals strengthen with increasing temperature at extreme strain rates [J]. Nature， 2024， 630：91–95. DOI： 10.1038/s41586-024-07420-1.

[2]WANG M， SHI S， FINEBERG J. Tensile cracks can shatter classical speed limits [J]. Science， 2023， 381（6656）： 415–419. DOI：10.1126/science.adg7693.

[3]MARDER M. [3] Cracks break the sound barrier [J]. Science， 2023， 381（6656）： 375–376.

[4]ZHANG X， LEI X， JIA X， et al. Carbon nanotube fibers with dynamic strength up to 14 GPa [J]. Science， 2024， 384（6702）：1318–1323.

（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 鄭志軍 編譯）