On the damage tolerance of 3-D printed Mg-Ti interpenetrating-phase composites with bioinspired architectures

材料科学 复合材料 损伤容限 刚度 桥接(联网) 偏转(物理) 增韧 弹性体 复合数 层状结构 环氧树脂 韧性 计算机网络 计算机科学 光学 物理
作者
Mingyang Zhang,Ning Zhao,Qin Yu,Zengqian Liu,R.T. Qu,Jian Zhang,Shujun Li,Dechun Ren,Filippo Berto,Z. F. Zhang,Robert O. Ritchie
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:13 (1) 被引量:121
标识
DOI:10.1038/s41467-022-30873-9
摘要

Bioinspired architectures are effective in enhancing the mechanical properties of materials, yet are difficult to construct in metallic systems. The structure-property relationships of bioinspired metallic composites also remain unclear. Here, Mg-Ti composites were fabricated by pressureless infiltrating pure Mg melt into three-dimensional (3-D) printed Ti-6Al-4V scaffolds. The result was composite materials where the constituents are continuous, mutually interpenetrated in 3-D space and exhibit specific spatial arrangements with bioinspired brick-and-mortar, Bouligand, and crossed-lamellar architectures. These architectures promote effective stress transfer, delocalize damage and arrest cracking, thereby bestowing improved strength and ductility than composites with discrete reinforcements. Additionally, they activate a series of extrinsic toughening mechanisms, including crack deflection/twist and uncracked-ligament bridging, which enable crack-tip shielding from the applied stress and lead to "Γ"-shaped rising fracture resistance R-curves. Quantitative relationships were established for the stiffness and strengths of the composites by adapting classical laminate theory to incorporate their architectural characteristics.
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