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中國科學(xué)家研制的一種高強(qiáng)度鎂合金材料接近了理論上鎂基合金的強(qiáng)度極限。
在剛剛出版的《自然》雜志中，香港城市大學(xué)副校長呂堅(jiān)、浙江大學(xué)朱林利副教授等中國科學(xué)家聯(lián)合發(fā)表的論文《采用雙相納米結(jié)構(gòu)制成高強(qiáng)度鎂合金材料》(Dual-phase nanostructuring as a route to high-strength magnesium alloys)成為本期雜志的封面文章。
在這篇重磅論文中，幾位中國科學(xué)家介紹了他們研制的一種高強(qiáng)度鎂合金材料——這種材料的強(qiáng)度，超過了所有已知鎂基納米材料，并接近理論上鎂基合金的強(qiáng)度極限。
在公眾看來，鎂合金似乎沒有鋁合金那樣有名。其實(shí)，小到一分錢的硬幣、手機(jī)筆記本電腦的外殼，大到飛機(jī)火箭都離不開鎂合金材料。鎂合金材料具有重量輕、性能良好，易于加工等諸多優(yōu)勢(shì)，一直是材料學(xué)的研究熱點(diǎn)。
人們的常識(shí)中，固態(tài)金屬在常溫下是以金屬晶體的相態(tài)存在的。同種單質(zhì)金屬或合金比例不變的情況下，構(gòu)成金屬材料的微結(jié)構(gòu)(如晶粒、孿晶等)形態(tài)、比例、大小等發(fā)生變化都會(huì)顯著影響金屬材料的性質(zhì)，這就是材料學(xué)中一個(gè)被稱作金相學(xué)的獨(dú)立分支。隨著現(xiàn)代電子顯微鏡技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家和工程師們已經(jīng)能夠從微觀的角度觀察金屬晶體了。
上世紀(jì)后半葉，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)隨著構(gòu)成金屬材料的微結(jié)構(gòu)尺寸不斷減小，材料的某些性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)單個(gè)晶粒的直徑達(dá)到100納米以下時(shí)，這些現(xiàn)象變得尤其明顯，例如材料的強(qiáng)度和硬度會(huì)大幅提高，而延展性和韌性會(huì)下降。(本刊記者提示：材料的硬度和強(qiáng)度不是相同的概念，天然硬度最高的鉆石雖然非常耐磨，但在比它“軟”得多的鐵錘面前不堪一擊，所以千萬不要在家拿婚戒試!)
由這種納米級(jí)微結(jié)構(gòu)構(gòu)成的金屬材料被稱作納米金屬材料，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用的納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金就是其中的代表。例如，鎢-碳納米硬質(zhì)合金可以用來制造直徑不足一毫米的高強(qiáng)度鉆頭。
不為大眾所知的是，金屬材料能以勻質(zhì)的非晶體相態(tài)存在，這一點(diǎn)和玻璃的微觀結(jié)構(gòu)類似，因此此種形態(tài)下的金屬被稱為金屬玻璃。金屬玻璃具有良好的彈性和抵抗塑性形變的能力，高爾夫球桿的擊球部位就是由金屬玻璃制成的，可以在承受巨大沖擊后保持形狀不變。
過去的納米金屬材料很難達(dá)到理論上的強(qiáng)度。原因主要是在制備納米金屬晶體時(shí)存在一定的缺陷，從而導(dǎo)致整體材料強(qiáng)度不足。在相對(duì)低應(yīng)力下，這一點(diǎn)表現(xiàn)的尤其突出。雖然近年來納米金屬材料的制備工藝顯著進(jìn)步，但通過工藝改善單一相態(tài)的金屬納米材料存在極限。
呂堅(jiān)等人嘗試了另一種思路，用非晶態(tài)的金屬玻璃包裹金屬納米晶體顆粒。呂堅(jiān)等將納米級(jí)鎂-銅合金晶體嵌入了鎂-銅-釔合金的非晶態(tài)金屬外殼，制成了一種新型的鎂基雙相納米合金材料，并將此種其命名為超納米雙相玻璃-晶體結(jié)構(gòu)。
鎂基雙相納米合金的顯微結(jié)構(gòu)
這種新型納米材料是由單個(gè)不足10納米的具有“外殼”的顆粒組成，單個(gè)顆粒核心成分是鎂：銅=2:1(原子數(shù)比例，以下同)的典型晶體組成，外殼據(jù)估算是由鎂：銅：釔=69:11:20的典型非晶態(tài)金屬構(gòu)成。整體的合金材料可以寫成鎂49銅46釔9的形式。通過檢測(cè)目前得到的薄層材料，可以確定這種雙相納米鎂基合金材料強(qiáng)度達(dá)到了3.3吉帕，超過了所有已知鎂基納米材料并接近了理論上鎂基合金的極限。
今天上午，《環(huán)球科學(xué)》記者第一時(shí)間連線nature封面文章作者之一、浙江大學(xué)的朱林利副教授，請(qǐng)他介紹了關(guān)于這項(xiàng)研究的更多信息。
《環(huán)球科學(xué)》: 傳統(tǒng)的納米材料有什么缺陷?你們研發(fā)的新材料解決了這些問題了嗎?
朱林利: 一般而言，納米結(jié)構(gòu)金屬材料如納米晶材料相比較于傳統(tǒng)金屬材料具有超高強(qiáng)度的力學(xué)特性。但是，隨著晶粒尺寸的進(jìn)一步減小，如晶粒尺寸小于10納米，材料的強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，即材料強(qiáng)度不再隨著晶粒尺寸的減小而增強(qiáng)(反Hall-Petch關(guān)系)，使得材料的強(qiáng)度無法達(dá)到理想強(qiáng)度(彈性模量E的十分之一或二十分之一)。在我們研發(fā)的雙相鎂合金中，晶粒尺寸和非晶區(qū)域的厚度均小于10納米，材料的強(qiáng)度接近鎂基非晶的理想強(qiáng)度E/20。
《環(huán)球科學(xué)》: 為什么選擇鎂-銅合金材料作為研究對(duì)象?
朱林利: 這是因?yàn)殒V基合金在工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域均存在大量的潛在應(yīng)用。比如，我們此次選擇鎂基合金是想提高它在醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用中的力學(xué)特性如降低摩擦系數(shù)等(編者注：鎂是人體必須的金屬元素，體內(nèi)組織或血液中含量很高，因此鎂制的醫(yī)療器械植入人體后不會(huì)產(chǎn)生毒副作用)。
《環(huán)球科學(xué)》: 文章中描述的超納米材料有什么應(yīng)用前景?
朱林利: 由于雙相超納材料的兩相幾何尺寸均小于10納米，我們相信這種新型結(jié)構(gòu)的納米材料將會(huì)表現(xiàn)出非常不同的力學(xué)和物理學(xué)性能。目前，針對(duì)超納金屬材料，將會(huì)在超高強(qiáng)度輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的工業(yè)應(yīng)用中存在巨大潛力，比如用于制作航空航天和自動(dòng)化領(lǐng)域的高強(qiáng)度、輕量化零件。
《環(huán)球科學(xué)》: 實(shí)驗(yàn)中制備的超納米雙相材料，是否適合工業(yè)化生產(chǎn)?成本如何?
朱林利: 我們采用磁控濺射方法有制備出超納雙相鎂合金直徑約為10cm的圓形薄膜。磁控濺射的方法本身已經(jīng)非常成熟，而且可以應(yīng)用于大規(guī)模材料制備，因此成本并不高。同時(shí)，我們正在通過研發(fā)其他制備方法，提高制備超納雙相材料的效率。
撰文 《環(huán)球科學(xué)》特約記者 陳耕石
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