摘要
纳米多孔金属材料具有比表面积高、密度低、比强度大、催化活性好、组织适用性强等优异特性，在化学催化、减震吸能、微纳器件、传感激励、燃料电池和生物工程等领域极具应用潜力。功能化应用对纳米多孔材料力学性能提出了相应的要求，更好地理解结构-力学性能关联将直接关系到各项技术应用中结构设计和功能优化问题。本文主要通过大规模分子动力学模拟，辅之宏观实验测试和理论分析，研究了几种典型微结构特征下纳米多孔金属的力学响应行为。 讨论了纳米多孔材料力学性能的拓扑结构效应。模拟比较了立方体、螺旋体、金刚石和随机双连续等四种微结构特征纳米多孔金属的变形行为和力学性能。不同结构的变形行为相似，弹性变形以孔棱弯曲变形为主，塑性变形以孔棱屈服变形为主。基于Gibson-Ashby模型，构建了力学性能与几何结构参数的量化标度律。随机双连续结构与实验样品形态学结构相似，其预测的力学性能值与实验结果和理论值最为接近，误差最小。 联合相场分解法和Voronoi思想，首次构建了纳晶纳米多孔模型，探讨了纳晶纳米多孔金力学性能的晶粒尺寸效应。研究表明，多晶结构的强度、流变应力与晶粒尺寸呈反Hall-Petch关系，主要与晶粒旋转、晶界滑移和位错运动三者相结合的变形机制相关。模量紧密依赖于晶界处原子体积，与晶粒尺寸呈正相关关系。相较于单晶结构，多晶纳米多孔金的力学性能降低，存在明显“软化”现象。 设计了四种有序/无序结构合金模型，探讨了纳米多孔铂钴合金的力学行为。结果表明，合金化显著提高纳米多孔金属的力学性能，有序化处理尤为明显。由于独特的原子排列形式，有序结构Pt3Co增强力学性能效果最明显，杨氏模量和屈服强度提升近100%。无序结构中，Co原子含量为24%左右时，强度和模量最高，力学性能最优。 提取纳米多孔金属材料的微结构特征，构建了随机双连续多孔结构几何模型，基于增材制造技术制备了多孔试样，测试了非规则多孔泡沫的准静态/动态压缩力学响应行为。多孔结构受到压缩载荷后，沿加载方向的孔棱发生弯曲和拉伸大变形，带动水平方向孔棱变形，提升吸能效果，表现出优异的吸能特性。相对密度是决定力学性能和吸能特性的主要几何特征参数，改变孔棱分布特征能有效调控结构力学性能和吸能特性。给出了微米多孔结构的力学性能和吸能特性与几何结构参数间的量化标度律。
NETL