航空航天系童崎課題組近期在《納米快報》(Nano Letters) 發表了題為《梯度納米多晶金屬的高阻尼性能》(Higher Damping Capacities in Gradient Nanograined Metals) 的研究論文🧍🏻。研究結果進一步拓寬了梯度納晶的應用場景☮️，為多晶金屬材料中力學性能與阻尼性能的沖突提供理想的解決方案🏮。
振動和噪聲無處不在↩️🐫。在航空航天、電子、核能等諸多工程科學領域📄，保障器件的安全和人員健康不受振動噪聲損害尤為重要。當前的減振降噪技術多采用附加隔振設備，往往會使器件大型化🐕，重量增加🏝，十分不利於輕便化和成本控製。探索器件材料本身的阻尼性能將成為未來科技的發展趨勢。傳統的金屬材料在強度🥹🏄🏽♂️、韌性、阻尼等力學性能存在不兼容的問題，不能滿足多場景應用需求。如何在增大阻尼的情況下不損失材料的強度、韌性、耐腐蝕性是器件結構材料發展的目標🧌。目前在納米科學領域，許多方案解決了金屬材料強度與韌性的問題📜，其中之一是梯度納米多晶金屬🚵♀️，而該結構是否影響材料的阻尼性能，值得研究。
該研究運用大規模分子動力學模擬，研究了梯度納晶的阻尼性能🫅🏿，發現梯度結構相比於均勻晶粒能有效提高金屬材料的阻尼容量，這一特性歸因於梯度排布形成晶界取向的長程有序🧑🧒，促使切應力能更好地激活晶界滑移。
材料的強度和阻尼本質上都是受微觀缺陷如位錯和晶界運動影響，然而缺陷運動對兩種性質通常起相反的作用，造成高強度和高阻尼無法兼得。論文分析了晶界滑移和位錯運動兩種阻尼機製。首先通過模擬得到了晶粒尺寸相關的Hall-Patch位錯增強和Inverse Hall-Patch晶界軟化關系曲線，計算了均勻晶粒在兩個區間的比阻尼容量，發現能量耗散在位錯增強機製下的Hall-Patch區間內趨於平穩👩👧，這是由於阻尼測試中采用的是固定的應變幅值，在晶粒尺寸增大時，位錯運動的空間效應無法充分發揮👰🏽。因此本文在研究梯度結構時重點關註晶界滑移導致的阻尼增強機製。
進一步計算研究發現👈🏽，在梯度納米多晶結構中，晶界滑移明顯比均勻晶體結構活躍。論文通過定義晶界滑移量k，定量比較了兩者的差異。比阻尼容量的計算也印證了梯度結構具有更大程度的能量耗散。在0.05的應變幅值下，梯度g=0.17的結構比均勻結構的比阻尼容量增加了18.6%。由於梯度結構中晶界面的取向長程有序🏌🏼，導致在拉伸/壓縮過程中，斜面上的剪應力能夠在晶粒間順利地傳遞🚴🏽♂️🖱，晶界滑移能力得到了顯著的解放。相比而言，均勻模型中的晶界面取向無序🤘🏻，從而導致相鄰晶面上的剪切互鎖，極大地限製了晶界滑移。因而梯度結構賦予了納米多晶材料更加優秀的阻尼性能。梯度納米晶體良好的強度-韌性兼容性已被廣泛報道，該研究進一步揭示了其高阻尼特性👻，為該材料拓寬了應用前景。
航空航天系本科生錢晟為論文第一作者，童崎為論文通訊作者。該研究得到國家自然科學基金🚻、上海市科委、恒行2平台本科生學術研究資助計劃的支持。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03600
