航空航天系童崎课题组近期在《纳米快报》(Nano Letters) 发表了题为《梯度纳米多晶金属的高阻尼性能》(Higher Damping Capacities in Gradient Nanograined Metals) 的研究论文。研究结果进一步拓宽了梯度纳晶的应用场景，为多晶金属材料中力学性能与阻尼性能的冲突提供理想的解决方案。
振动和噪声无处不在。在航空航天、电子、核能等诸多工程科学领域，保障器件的安全和人员健康不受振动噪声损害尤为重要。当前的减振降噪技术多采用附加隔振设备，往往会使器件大型化，重量增加，十分不利于轻便化和成本控制。探索器件材料本身的阻尼性能将成为未来科技的发展趋势。传统的金属材料在强度、韧性、阻尼等力学性能存在不兼容的问题，不能满足多场景应用需求。如何在增大阻尼的情况下不损失材料的强度、韧性、耐腐蚀性是器件结构材料发展的目标。目前在纳米科学领域，许多方案解决了金属材料强度与韧性的问题，其中之一是梯度纳米多晶金属，而该结构是否影响材料的阻尼性能，值得研究。
该研究运用大规模分子动力学模拟，研究了梯度纳晶的阻尼性能，发现梯度结构相比于均匀晶粒能有效提高金属材料的阻尼容量，这一特性归因于梯度排布形成晶界取向的长程有序，促使切应力能更好地激活晶界滑移。
材料的强度和阻尼本质上都是受微观缺陷如位错和晶界运动影响，然而缺陷运动对两种性质通常起相反的作用，造成高强度和高阻尼无法兼得。论文分析了晶界滑移和位错运动两种阻尼机制。首先通过模拟得到了晶粒尺寸相关的Hall-Patch位错增强和Inverse Hall-Patch晶界软化关系曲线，计算了均匀晶粒在两个区间的比阻尼容量，发现能量耗散在位错增强机制下的Hall-Patch区间内趋于平稳，这是由于阻尼测试中采用的是固定的应变幅值，在晶粒尺寸增大时，位错运动的空间效应无法充分发挥。因此本文在研究梯度结构时重点关注晶界滑移导致的阻尼增强机制。
进一步计算研究发现，在梯度纳米多晶结构中，晶界滑移明显比均匀晶体结构活跃。论文通过定义晶界滑移量k，定量比较了两者的差异。比阻尼容量的计算也印证了梯度结构具有更大程度的能量耗散。在0.05的应变幅值下，梯度g=0.17的结构比均匀结构的比阻尼容量增加了18.6%。由于梯度结构中晶界面的取向长程有序，导致在拉伸/压缩过程中，斜面上的剪应力能够在晶粒间顺利地传递，晶界滑移能力得到了显著的解放。相比而言，均匀模型中的晶界面取向无序，从而导致相邻晶面上的剪切互锁，极大地限制了晶界滑移。因而梯度结构赋予了纳米多晶材料更加优秀的阻尼性能。梯度纳米晶体良好的强度-韧性兼容性已被广泛报道，该研究进一步揭示了其高阻尼特性，为该材料拓宽了应用前景。
航空航天系本科生钱晟为论文第一作者，童崎为论文通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、上海市科委、复旦大学本科生学术研究资助计划的支持。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03600
