模板法构筑超轻空心管微点阵材料及性能研究

Ultra-light materials could greatly reduce the energy consumption of operating equipment, exhibiting a wide variety of applications in the fields of sound insulation, thermal insulation, energy buffer, and others. Furthermore, ultra-light materials has a great significance in the national pillar industries such as aerospace. In this project, a microlattice templated approach is proposed to fabricate a series of ultralight samples (such as carbon materials, metal and metal oxide) with a bulk density about 10 mg/cm3. Firstly, the interface interaction at the template surface is used to prepare the thin film. After the removal of the template, ultra-light micro-latticed materials with hollow-tube structures can be fabricated. Utilizing the as-prepared ultra-light materials as the templates, micro-latticed materials could be prepared through the above procedure. Further research on the structures, properties, and the formation mechanism for the formation of ultra-light micro-latticed materials will also be conducted in this project. Functional ultra-light materials will be fabricated through the optimization of the spatial configuration of the template and four scale parameters (dot-matrix the unit node distance, aperture size, the film thickness and composition of the film particle size, etc.). Through the reveal of the formation mechanism for ultra-light micro-latticed materials and in combination with the bio-inspired approach, a theoretical model is proposed to achieve the controlled preparation.

超轻材料，可大大降低运行设备的能耗，在隔音、绝热、能量缓冲等方面有广泛的应用，在航空航天等国家支柱产业中具有重大的意义。本项目借助于具有微点阵结构的模板，制备一系列体积密度在10 mg/cm3附近的超轻样品（如碳材，金属及金属氧化物等）,即利用界面相互作用在模板表面构筑一定厚度的薄膜，而后除掉模板可得到超轻空心管结构的微点阵材料（一次薄膜）；进一步，利用已得微点阵材料作为模板，在其表面沉积成膜，从而可再次获得空心管结构的微点阵材料（二次薄膜）。对于所得的一次薄膜和二次薄膜进行系统表征及性能研究，探索模板与薄膜之间界面的相互作用机制，实现可控成膜；通过优化模板的空间构形和四级尺度参数（点阵单元节点距离、孔径大小、薄膜的厚度和颗粒尺度等），实现材料超轻并具有特定的突出性能；系统总结材料结构、成分协同作用对于超轻空心管结构的微点阵材料性能影响的规律，构建理论模型，实现超轻点阵材料的可控设计。

项目按原计划开展，取得了预期的结果，完成了原定目标。项目首先进行结构和成分设计后，使用3D打印技术制备了可除掉的高分子金刚石结构的微点阵模板，而后使用化学镀等方法成功构筑了目标微点阵材料。在（1）综述超轻材料之后，完成了项目工作任务（2）超轻空心管金属镍，（3）超轻空心管氧化硅，（4）超轻碳材料。同时，还探索了（5）微点阵复合材料（a）非晶镍层微点阵轻质材料、（b）氮化硅涂层的微点阵轻质材料和（6）粒子增强微点阵复合材料。.（1）超轻材料的综述，成果发表在化学进展, 2015, 27, 1714-1721..（2）超轻空心管金属镍。本组构筑的金刚石结构为世界首次，所制备的样品，其密度及力学性能均达到或部分优于现有世界最佳参数，一种方法得到的密度值为19.5 mg/cm3，最大抗压应力高达1.12 MPa，成果发表在Science China, Chemistry, 2016, 59, 1632–1637。另一种方法得到的；另一种方法得到的密度可以达到2.95 mg/cm3，该点阵空心管镍材料在施加60%应变可以完全恢复，优于现有文献报道值。该工作获得国家发明专利授权一项，另外获得国家发明专利申请一项。.（3）超轻空心管氧化硅。该工作为世界首次完成，其密度接近于超轻，密度为14.7 kg / m 3，成果发表在RSC Advances, 2017, 7, 54668 - 54673。该工作获得国家发明专利授权一项。.（4）超轻碳材料。首次使用反点阵的方法，所制得的样品，其密度可达到20 mg/cm3。该工作获得国家发明专利申请一项。.（5）微点阵复合材料（a）非晶镍层微点阵轻质材料和（b）氮化硅涂层的微点阵轻质材料。成果发表在Advanced Engineering Materials, 2016, 18, 236-240。该工作获得国家发明专利申请二项。.（6）粒子增强微点阵复合材料。成果发表在Materials Letters 2018, 215, 242–245。该工作获得国家发明专利申请一项。