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变形飞机、机器人的超强人工肌肉等一大批未来技术亟待一类全新金属材料的出现，它既能像超高强度钢一样强，又能像高分子材料一样柔顺。然而，这种工程技术上热切期待的“既强且柔”特性是目前物理原理所不允许的性质。因为高强度需要强的原子键，但强的原子键又造成低柔性，导致高强度和高柔性长期以来是一对“熊掌与鱼耳”不可兼得的性质。尽管高强度材料如高强度钢的强度虽然很高（强度高于1 GPa），但是其柔性很低（弹性模量或刚度系数高达200 GPa）；而高分子材料柔性高（弹性模量低至10 GPa或更低），但其强度也很低（大多低于0.2 GPa）。因此，获得“既强且柔”的材料长期以来似乎是一个可欲不可求的梦想。

据此，西安交通大学任晓兵教授、马天宇教授、纪元超教授报道了通过一种可规模生产的三步热-机械处理工艺，在商用Ti-50.8Ni合金中实现了一种带有两种马氏体“种子”的独特应变玻璃状态DS-STG；该状态的合金兼具变形强化带来的超高强度（1.8 GPa）和通过马氏体“种子”无形核成长带来的超高柔性（10.5 GPa的超低弹性模量）和超大可逆形变（8%）。因此，该合金成功突破了高强度和高柔性不可兼得的原理性瓶颈，实现了“既强且柔”的罕见特性。该合金同时具有应变玻璃合金的共同重要优点，即该特性能够在从-80℃到+80℃的宽温域内维持不变，以及突出的高应变下抗疲劳特性。上述特性使该合金有望满足变形飞行器及机器人的温域要求，所以极具工程应用前景。这种可规模生产的“既强且柔”的金属合金可望对变形飞行器、超级机器人和人造器官等未来技术领域产生颠覆性影响。

2024年9月4日，相关论文以题为“A polymer-like ultrahigh-strength metal alloy” 发表在Nature上。博士生徐治志为论文第一作者。纪元超教授、马天宇教授和任晓兵教授为论文通讯作者。西安交通大学前沿院和金属材料强度国家重点实验室为论文通讯单位。参加单位还有四川大学、中科院物理所、隆基研究院（LONGi）、以及日本国立物质材料研究院（NIMS）。相关研究得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划等项目的支持。

图1. 将类聚合物的超高强度DS-STG合金与典型的金属合金和有机材料进行比较。

DS-STG合金独特的机械性能。

图1a显示，DS-STG（Ti–50.8 at.% Ni 双晶种应变玻璃）合金成功克服了现有结构材料的强度-柔韧性权衡，具备类似钢的超高屈服强度(σy ≈ 1.8 GPa)和类聚合物的超低杨氏模量(E ≈ 10.5 GPa)，使其处于“坚固而灵活”的理想状态。图1b展示了该合金在达到屈服强度前表现出橡胶般的J形应力-应变曲线，具有超低初始模量和超大可恢复应变（εre ≈ 8%），其屈服强度超过超高强度钢，且柔韧性远超典型金属合金和有机材料。图1c强调了DS-STG合金的柔性品质因数(σy/E ≈ 0.17)远高于现有材料，而图1d进一步证明其结合了钢的强度和聚合物的柔韧性，是许多新兴技术理想的材料。

DS-STG合金在广泛的温度范围内（−80°C 至 80°C）保持了类高分子的超高强度表现（图2a），其中杨氏模量维持在超低水平（10至16 GPa），屈服强度仍高达1.8 GPa，并且可恢复应变超过6.3%。此外，与传统材料相比，DS-STG合金表现出优异的高应变抗疲劳性（图2b），在1.6%的大应变下可达到超过500万次循环的无疲劳行为。这种特性使DS-STG合金成为变形飞机机翼和人造肌肉纤维等高应变循环应用的理想材料。

图2. DS-STG合金在宽温度范围内表现出类聚合物的超高强度, 同时具有优异的高应变抗疲劳性能。  

三步热机械制造工艺。

DS-STG合金是通过简单的三步热机械加工路线制成的，从起始的Ti-Ni合金（图3a）到最终的DS-STG状态，这种加工方法可扩展至工业生产。第一步加工使合金发生严重变形并形成高强度的B19'马氏体，第二步退火处理后产生一种独特的双交叉应变玻璃态（DC-STG），具有中等模量和高屈服强度。在最后一步中，经过中等拉伸后，DC-STG转化为具有类高分子超低模量和类似橡胶的超大可恢复应变的DS-STG态，这种状态赋予合金优异的“坚固而柔韧”的性能（图3c，图4）。

图3. 采用三步热处理路线，实现了DS-STG合金及各步骤后试样的显微组织。

图4. DS-STG合金聚合物样弹性的原位XRD分析。

类聚合物超高强度的起源。

原位拉伸XRD实验（图4）显示，DS-STG合金在加载和卸载过程中，经历了无核的可逆转变，从应变玻璃态（STG）到R和B19'马氏体，最终导致了类似高分子的超低弹性模量。在加载时，R和B19'马氏体晶种平稳生长，无需临界应力，卸载后样品恢复到原始状态（图5b）。这种转变产生了J形应力-应变曲线和窄滞后特性。图5a显示，DS-STG状态的形成依赖于特定的热处理温度（573K），而其他温度下形成的状态会导致较高模量和较低的可恢复应变。DS-STG的独特微观结构在宽温度范围内保持热稳定性和优异的抗疲劳性能。

图5. Ta≈573 K时DS-STG态的类聚合物超低模量和高可恢复应变。

总之，采用简单的三步热机械加工工艺制备了类高分子超高强度金属合金DS-STG。它具有10.5 GPa左右的类高分子超低弹性模量和1.3-1.8 GPa左右的类钢超高屈服强度，同时具有约8%的大假弹性应变，良好的温度稳定性和优异的高应变抗疲劳性能。这种非传统的合金克服了长期存在的强度和柔韧性之间的权衡，超低弹性模量源于独特的DS-STG状态，使应变玻璃与R、B19′马氏体之间发生无核可逆转变；超高强度源于变形强化效应。这种类似高分子材料的超高强度合金可能为变形航天飞行器、超人型人形机器人和人造器官等新兴技术的广泛应用打开大门。工业可扩展的制造路线可能使这种合金的大规模生产成为可能。