随着航空航天和軌道交通等領域的快速發展，對具有良好力學和阻尼性能的輕量化材料有迫切需求。使用結構功能一體化材料制成機械部件，可實作減重減振，有利于提高裝置的機動性和精度。此外，有些裝置處于溫度和頻率多變的工作環境，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範圍内的适用性。然而，産生高阻尼能力的内部結構特征（可移動缺陷）與産生良好力學性能（不可移動缺陷）的機制成倒置關系。是以在傳統的阻尼材料設計理念中，高阻尼和高強度通常是互斥的。
近日，中南大學材料科學與工程學院李周教授和龔深教授等人提出了一種雙尺度互穿網絡設計政策，開發出雙尺度CrMnFeCoNi/聚合物互穿相複合材料（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，将負載CrMnFeCoNi納米合金的碳納米管（CrMnFeCoNi@CNTs）與聚氨酯/環氧樹脂互穿聚合物網絡（PU/EP IPN）組成的複合體滲入到連通孔隙中，形成HESMA泡沫/聚合物互穿網絡結構。該結構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和聚合物的結構完整性和連續性允許它們發揮各自的阻尼機制，通過疊加多重阻尼實作寬頻域和寬溫域内的高阻尼能力。在微觀尺度下，形成高熵納米合金/CNT/聚合物互穿網絡結構能大幅增加聚合物内界面，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熱網絡提高熱能耗散能力。
這項研究不僅對減振降噪應用具有吸引力，而且提供了一個新的設計理念和制造方法，可以應用于其他材料體系以提高性能。相關工作以“Constructing dual-scale high-entropy alloy/polymer interpenetrating networks to develop a lightweight composite with high strength and excellent damping capacity”為題發表在國際著名期刊《Chemical Engineering Journal》上。
圖1雙尺度CrMnFeCoNi/聚合物IPC的合成過程
圖2 1-6#樣品的（a）室溫壓縮應力-應變曲線，（b）能量吸收能力和效率，（c）室溫下和0.1~200 Hz頻域内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）綜合性能資料；比較本工作中雙尺度CrMnFeCoNi/聚合物IPCs與其他文獻報道多孔材料和IPCs的（f）損耗因子和比強度，以及（g）阻尼溫度視窗
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）重構的三維顯微圖像，（f）重構的三維孔隙結構，（g）孔隙網絡的球棍模型模拟結果，（h）孔徑分布圖，（i）喉道連接配接數分布圖，（j）喉道直徑分布圖和（k）喉道長度分布圖
圖4 退火态CrMnFeCoNi泡沫的（a）室溫XRD譜，EBSD（b）晶界圖，（c）IPF圖，（d）相分布圖，（e）遠離孔隙和（f-h）孔隙邊緣的TEM圖像（g中插圖為輪廓區域的SAED花樣），（i）I區域的HRTEM圖像（插圖為FFT圖案），J區域的（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/聚合物互穿網絡的（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）模組化示意圖；（c）應力分析圖；（d）1-6#樣品的損耗因子的實驗值和模拟值（插圖為界面總面積）；（e）1-6#樣品中各相的應變能損耗占比；雙尺度CrMnFeCoNi/聚合物IPC-2中（f）宏觀尺度CrMnFeCoNi/聚合物互穿網絡和（g）微觀尺度CrMnFeCoNi@CNT/聚合物互穿網絡在20~150℃溫域内多重阻尼機制的分解結果
綜上所述，該研究報道了具有高強度和優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别為37.2 MPa和22.5 MJ·m-3（ε=65%），密度僅為2.528 g·cm-3。在20~150℃的寬溫域内，其損耗因子大于0.132，峰值可達0.206。相比于CrMnFeCoNi泡沫，其抗壓強度，能量吸收能力和内耗峰值分别提高了85%，65%和156%，其優異的力學和阻尼性能被認為是雙尺度互穿網絡結構設計的結果。首先，各相之間三維互連和交織的複雜拓撲結構有利于實作複合材料内部的應力轉移，增加變形協調性和強化效應，提升複合材料強度和能量吸收能力。其次，雙尺度互穿網絡結構引入的高密度界面能夠有效增加界面阻尼。三相微觀力學模型計算結果表明，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）的耦合賦予了複合材料高基态阻尼。此外，引入CrMnFeCoNi@CNTs拓寬了聚合物的玻璃化轉變峰。CrMnFeCoNi泡沫的ε→γ逆馬氏體相變峰和聚合物複合基體的玻璃化轉變峰的疊加，使複合材料在寬溫域具有高阻尼能力。這種低密度、高強度和優異阻尼能力的組合性能，使該複合材料成為抗沖擊和減振減重應用的候選者。
論文連結：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151222來源：高分子科學前沿