成果简介
在当代制造业中，结构材料的加工在创造适用于各种工业应用的坚固、量身定制和精确的组件方面发挥着关键作用。尽管如此，由于内应力和缺陷，当前的材料成型技术仍面临挑战，导致机械性能和加工精度大幅下降。本文，清华大学曲良体 教授、北京理工大学赵扬 教授、中国科学院力学研究所 刘峰 副研究员等在《Nature Communications》期刊发表名为“Evaporate-casting of curvature gradient graphene superstructures for ultra-high strength structural materials”的论文，研究开发了一种具有曲率梯度的石墨烯超结构的加工策略，这使我们能够制造出具有精心设计的功能形状的坚固结构材料。
该结构由位于同轴曲率中心的石墨烯纳米片的弧形组件组成。在基于脱水的蒸发物浇注过程中，组件通过毛细管效应收紧，引起局部弯曲。通过精确调整轴心距和倾斜角度，我们实现了对所获得结构形状的精确控制。值得注意的是，利用内应力来加固设计的榫卯结构，从而实现高达约200 MPa的高连接强度。这种创新方法解决了当前材料成型技术面临的挑战，并为制造坚固且形状精确的部件开辟了更多可能性。
图文导读
图1：cg-G蒸发铸造的概念图。
图2：cg-G的形貌和结构特征。
图3：cg-G的面内和面外蒸发铸造加工。
图4：cg-G的蒸发铸造机理
图5：蒸发铸造后cg-Gs的机械强度和演示。
小结
本文提出的曲率梯度石墨烯超结构的蒸发铸造允许可控地制造具有多种设计功能形状和高机械强度的石墨烯微结构。通过位于同轴曲率中心的石墨烯纳米片均匀弧形组装的可控设计，构型力指向脱水过程中产生的曲率中心。因此，在基于脱水的蒸发物浇注过程中，组件通过毛细管力收紧，引起局部弯曲。通过精确调整轴心距和倾斜角度，实现了对所得蒸发铸造结构形状的精确控制。此外，该工作还诱导了榫卯结构，并利用内应力加固地层，从而实现了高强度连接（~200 MPa），超过了多种具有连接结构的材料，甚至焊接金属。与传统的焊接技术相比，所提出的蒸发铸造工艺可以在室温下自发发生，大大降低了组合反应的阈值和能耗。整个过程具有高度的可控性、可行性、成本效益、多功能性和环保属性。
文献：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50191-6
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