西安交大最新Nature：像金属一样强，像聚合物一样韧，类似聚合物的超高强度金属合金

科学前沿阵地 科学前沿阵地 2024年09月06日 08:01 重庆

长期以来，变形飞机和超人型人造肌肉等许多新兴技术一直渴望同时表现出像钢一样的超高强度和像聚合物一样的超高柔韧性的奇异金属合金。这种非传统的“坚固而灵活”的特性组合将以较低的驱动成本实现大的可恢复形状变化，同时在大载荷下提供强大的抗断裂或屈服破坏能力。然而，实现这种非常规合金仍然具有挑战性，因为强度和柔韧性之间不可避免地需要权衡。钢可以制造得非常坚固（具有高屈服强度σy > 1 GPa），但它们很硬（具有高杨氏模量 E≈200 GPa），而有机材料（例如纤维增强聚合物 (FRP)）具有相反的特性，即柔性（典型的低E≈10 GPa）但较弱（σy < 0.3 GPa）。强度与柔韧性的权衡源于这两种特性与材料的粘合强度呈相反相关，而材料的粘合强度大致由弹性模量表示。因此，这种不可避免的权衡使得1 GPa级的类钢高强度合金无法具有10 GPa级的类聚合物低模量。在过去的几十年里，人们在寻找同时具有高强度和低模量的金属合金方面付出了巨大的努力，但同时具有像钢一样的高屈服强度和像聚合物一样的低模量的合金仍然无法实现。

西安交通大学任晓兵教授、马天宇教授和纪元超副教授合作报道了一种Ti-50.8 at.% Ni应变玻璃合金，它结合了σy≈1.8 GPa的超高屈服强度和E ≈ 10.5 GPa的类聚合物超低弹性模量，以及约 8% 的超大橡胶类弹性应变，与现有结构材料相比，它具有σy/E≈0.17的高柔性品质因数。此外，它可以在-80°C至+80°C的宽温度范围内保持此类性能，并在高应变下表现出优异的抗疲劳性。该合金通过简单的三步热机械处理制成，可扩展到工业生产线，不仅通过变形强化实现超高强度，而且通过形成独特的“双晶种应变玻璃”微观结构实现超低模量，由嵌入少量排列整齐的 R 和 B19' 马氏体“种子”的应变玻璃基体组成。原位X射线衍射表明，合金的类聚合物变形行为源于加载和卸载过程中应变玻璃与R和B19'马氏体之间的无核可逆转变。

相关研究成果2024年9月4日以“A polymer-like ultrahigh-strength metal alloy”为题发表在Nature上。

新型合金设计：开发了一种新型的Ti-50.8 at.% Ni应变玻璃合金，合金展现出了与聚合物类似的超低弹性模量（约10.5 GPa）和超高强度（屈服强度约1.8 GPa），以及大约8%的橡胶状弹性应变，这在以往的金属合金中是难以实现的。

宽温度范围稳定性：合金的超高强度和超低模量特性能够在-80°C至+80°C的宽温度范围内保持。

优异的疲劳抗力：合金展现出了优异的抗疲劳性能，即使在高应变条件下也能保持长时间的循环稳定性，这对于需要反复变形的应用场景非常重要。

简单的制备工艺：通过三步热机械处理工艺制备合金，这种方法简单、可扩展，并且有望实现工业化生产，这为合金的商业化和应用奠定了基础。