几十年来,工程师们一直在寻求兼具轻便和高强度的材料。如果一种材料能够在减轻重量的同时不牺牲耐用性,那么其应用价值将不可估量,尤其是在航空航天领域,因为减轻哪怕一克重量都能显著节省燃料并提升性能。
铝钛合金作为航空航天的传统材料,兼具轻量和高强度,但其应用也存在局限性;碳纤维材料的问世虽然堪称革命性突破,但也并非完美无缺,例如其耐磨性较差,无法像铝钛合金那样应用于航空发动机等高应力环境。
为了突破材料科学的极限,加拿大一个研究团队将目光转向了纳米结构材料——在纳米尺度上设计材料结构,以最大限度地提升材料强度并减轻重量。
研究团队从自然界汲取灵感,模仿骨骼、贝壳甚至蜂巢等天然结构的力学特性。
然而,设计这类纳米结构并非易事,其挑战在于如何创建均匀分布应力的几何形状,并避免可能导致材料失效的薄弱点。为了克服这些障碍,研究人员采用了贝叶斯优化算法——一种擅长在海量选项中寻找最优解的人工智能技术。
△ 低密度下高抗压强度碳纳米晶格生成设计的多目标贝叶斯优化,图源:Advanced Materials
整个过程始于算法生成数千种潜在的设计方案。每种设计方案都通过有限元分析(一种预测材料在压力下表现的计算方法)在虚拟环境中进行测试,然后算法根据测试结果改进设计,迭代优化出强度和刚度最大化、重量最小化的结构。
在人工智能筛选出最优设计方案后,研究团队运用双光子聚合技术(一种能够创建纳米级精度结构的3D打印技术)对这些方案进行物理建模。他们利用该技术制造出由厚度仅为300至600纳米的碳梁组成的晶格结构(6.3×6.3×3.8毫米),该晶格结构由1875万个单元构成。
最后,研究人员通过热解处理,将聚合物在富氮环境中加热到900摄氏度,将其转化为玻璃碳。
这些经人工智能优化的纳米晶格的强度比以往的设计高出一倍以上,其抗压强度可达每立方米每千克密度2.03兆帕。这意味着其强度比许多轻质材料——例如铝钛合金,甚至某些类型的碳纤维——高出10倍以上,比钛高出约5倍。
这是人工智能首次成功应用于纳米结构材料的优化设计。令人震惊的是,人工智能并非仅仅复制已有成功的几何形状,而是能够从形状变化的有效性和无效性中学习,从而预测出全新的晶格几何形状。
那么,是什么赋予了这些纳米晶格如此高的强度呢?
答案在于碳在纳米尺度上的独特特性。研究人员发现,将碳梁的直径减小到300纳米时,其强度会显著提高,这归因于“尺寸效应”——材料在极小尺度下表现出与宏观尺度不同的力学特性(尺寸越小,强度越高)。在纳米尺度下,碳原子以最大化强度的排列方式结合,碳梁的外层由94%的sp2-碳构成,这种碳形式以其优异的强度和刚度而著称。
这种高纯度碳壳与碳梁优化的几何形状相结合,使得材料能够承受巨大的外力而不发生断裂。
结语
研究人员预测,这种新型材料的潜在影响将远远超出实验室的范围。更轻的部件能够减少燃料消耗并降低排放,由这种材料制成的超轻部件有望很快应用于飞机、直升机和航天器等领域。研究人员估算,如果用这种材料替换现有飞机上由钛制成的部件,每替换一公斤钛,每年可节省约80升燃油,这将对航空业的节能减排带来显著的贡献。
