2022年12月期刊俱乐部:微观结构和微架构中的有序或无序:哪个对机械性能更好?

微观结构和材料结构的有序与无序:哪个对机械性能更好?传统的工程材料具有随机的微观结构:在典型的金属中，晶粒的大小、形状和方向可以在一定程度上被操纵，但它仍然具有广泛的统计分布特征。橡胶和水凝胶可以被描述为随机网络。工程细胞材料，如聚氨酯泡沫或生物细胞材料，如软木或骨小梁，在细胞大小和互联性方面显示出巨大的空间变化。制造技术的进步(自组装、聚合物化学、材料加工、微加工、增材制造……)使人们能够更好地控制材料的微观结构，现在可以用高度有序的、空间周期性的“结构”来制造材料。然而，撇开制造限制和性能不谈，就机械性能而言，完美周期结构是否总是比随机和随机微结构更可取呢?正如下面的例子所示，没有明确而普遍的答案。

冶金:完美的单晶具有较低的屈服强度，对于大多数应用来说并不理想。点缺陷、合金化、线缺陷、晶界和多晶结构等“无序”特征是冶金强化的基础。然而，David Embury及其同事在金属中诱导有序的3D“结构”方面做出了重大努力，他们使用各种处理方法在中尺度上创建高度可控的多层和梯度[1-3]。这些有序的结构能够实现空间分布的耐磨性，控制不稳定性和断裂，或金属的高强度和延展性的新组合。第二相颗粒沿良好控制的正弦模式分布，也可用于引导和“工程”裂纹路径，同时也增加整体韧性[4]。然而，也有许多例子表明无序在冶金中是有益的:在延性材料中，在裂纹前随机间隔的夹杂物比规则间隔的夹杂物产生更大的韧性，因为增加的裂纹固定[5]和裂纹弯曲[6]。从极端的角度来看，在金属中制造无序会导致金属玻璃，其缺乏晶体结构和位错会产生极高的强度(以延展性[7]为代价)。在高熵合金[8,9]中，几种变形和断裂机制同时或以特定顺序发生(固溶强化、机械孪生、马氏体形成、再结晶)，导致强度和韧性异常高的组合[10]。

密集的建筑材料:高阶和周期性的材料结构可以使用相同的构建块实现[11,12]。在拓扑互锁材料(TIMs)中，规则排列的块被互锁以形成受外部韧带机械约束的面板[13,14]。单个砌块相对坚硬，但它们的集体滑动会导致大变形和能量吸收、摩擦滑动、渐进互锁(“几何硬化”)和变形的离域[15,16]。这些相同的块的随机排列将导致较差的材料:我们最近将毫米大小的积木或“颗粒”组装成具有FCC或BCC结构的完全致密的颗粒晶体。有序的力线、晶粒间的平对平接触和受控的集体变形机制使颗粒晶体比随机填充的颗粒[17]硬度和强度高10-20倍。然而，最近的一项研究[18]表明，当在TIMs的平铺中引入一些不规则性时，增强了部分块之间的载荷传递，从而提高了整体强度和韧性。

低密度建筑材料:传统的细胞材料，如骨小梁、软木或固体泡沫，具有高度空间变异的细胞大小、形状和连通性[19]的随机结构。在晶格材料中，这种随机性被消除了。这些材料可以使用小单元胞代表元素[20]进行建模和优化，从而获得具有非常高的比刚度[21]、强度[22]或能量吸收能力[23]的材料，优于随机单元胞材料。周期性结构材料还实现了负泊松比[24]或可编程不稳定性[25]。在这种情况下，缺陷和缺陷被认为是降低机械性能的障碍[26-29]。然而，晶格中的缺陷也可以导致性质的重大改进。例如，可以通过对完美晶格的破坏来提高性能:“宏观尺度”晶界、析出物和相可以提高鲁棒性和损伤容忍度[30,31]，这让人想起金属中的强化方法。像负泊松效应这样的不寻常行为并不需要完美的周期晶格，它也可以在随机细胞材料和无序网络中实现[19,32]。在超材料和复合材料中的无序似乎正在卷土重来，现在它被设计来实现有吸引力的材料响应[33-35]。

生物材料:有序还是无序?从自然材料中寻找答案是很诱人的，但事情也不太清楚。上个月(2022年11月)的杂志俱乐部讨论了具有晶体顺序的生物膜的好例子。生物材料确实显示出广泛的微观结构阵列，其中许多空间周期[36]。例如，胶原蛋白原纤维是生物学中的主要结构构件，由绳状分子(原胶原蛋白)组成，其长度相同，约为300纳米。这些分子平行于原纤维的轴，具有均匀重叠(胶原原纤维的“d带”)，并且具有高结晶顺序[37]的3D排列。这种结构对于单个原纤维[38]内均匀的剪切-滞后型载荷传递至关重要，而分子之间的长度和重叠对于[39]的载荷传递是最优的。因此，胶原纤维近乎完美的排列顺序对其性能和功能至关重要，微小的偏差或缺陷都可能产生深远的影响。在下一个长度尺度上，高阶也产生了较高的力学性能，如肌腱[41]中的单向胶原原纤维，交叉[42]或鱼鳞[43]中的Bouligand纤维结构。具有周期性微观结构的生物材料的另一个著名例子是珍珠，它可以被描述为三维的砖和砂浆建筑。 A key mechanism in nacre is the massive sliding of the bricks on one another under tensile load, which generates ductility and powerful toughening mechanisms. We recently demonstrated that any small deviations from the perfect periodicity of a “brick wall” is detrimental to strength, to energy absorption and to fracture toughness [44, 45]. The explanation is simple: a perfect brick wall has a homogenous strength distribution. Introducing local variations of strength creates weaker regions, whose failure and coalescence governs tensile strength and ductility. More spatial variations make the weaker regions (the “weakest links”) even weaker, which further decreases overall performance. Achieving nacre-like spatial periodicity in synthetic material with micron-size microstructures is not currently possible [46-48], which is probably why these materials cannot duplicate the massive and collective sliding of the bricks in natural nacre. Perfectly periodic nacre-like brick walls can however be fabricated at larger length scales, enabling collective tablet sliding and high toughness [49-51]. These examples highlight the importance of order in collagenous materials and nacre. Yet, disorder is also found in many strong and tough biological materials [52]. The same collagen fibrils assemble in random networks to form skin, a remarkably tough and damage tolerant material. The random network of collagen fibrils in skin enables large deformations and a key mechanism where collagen fibrils are “recruited” to align along the direction of loading, generating stiffening and strengthening along that direction. It is the random and “loose” microstructure of skin that enable this dynamic adaptation to mechanical loads [53]. Other examples of disordered biological materials include mussel adhesives, hedgehog quills, oyster cement [52]. In these materials, disorder at the atomic scales, nanoscale or microscale promotes compliance, isotropic behavior, resilience, and adaptability to changing loading conditions. Adaptation mechanisms in random biological materials have in fact recently inspired virtual “growth rules”, which have produced cellular materials with unusual graded properties and mechanical robustness against damage [35]. Bone is a complex hierarchical material which displays highly periodic features together with random microstructures [52]. Is this an outcome of growth or is bone trying to get the best of both order and disorder?

那么，微观结构和材料结构中的有序与无序:哪个对机械性能更好?这里引用的论文列表绝不是全面的，但它说明了在文献中发现的相互矛盾的答案。无序是否只对某些机制或某些性质有益?还是只在特定的情况下?还是只有在严格规定下才会引入?这些问题的答案似乎对材料和结构的设计和优化至关重要。

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