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重大突破！西安交大科研团队发现“既强且柔”的奇异金属

重大突破！西安交大科研团队发现“既强且柔”的奇异金属

zuiw 2024-09-08 资讯

　　近日，西安交通大学前沿科学技术研究院及金属材料强度国家重点实验室多学科材料研究中心博士生徐治志等人成功研发出一种可规模生产的奇异金属，
突破了长期以来高柔性和高强度不可兼得的原理性瓶颈，实现了兼具高分子材料的超高柔性和超高强度钢的超高强度
。该特性能够在-80℃到+80℃的宽温域内保持，同时该金属合金在大应变下仍具有出色的抗疲劳特性。这些优异特性可望使得该合金在变形飞行器、超级机器人、人工器官等未来技术领域得到重要应用。

　　该研究成果9月4日在Nature在线发表。

　　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。因此高强度和高柔性长期以来是一对“鱼与熊掌”不可兼得的性质。因此以往的高强度材料如高强度钢的强度虽然很高(强度高于1 GPa)，但其柔性很低(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遇不可求的梦想。

　　前沿院多学科材料研究中心博士生徐治志等人基于该中心在国际上首次发现的应变玻璃的基础研究成果，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-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；因此该合金有望满足变形飞行器、超级机器人的温域要求，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。

　　上述成果以《一种像高分子一样的高强度金属合金》(“A polymer-like ultrahigh strength metal alloy”) 为题于9月4日在《自然》(Nature)在线发表。

　　论文第一作者为西安交通大学前沿科学技术研究院博士生徐治志；论文通讯作者为纪元超教授、马天宇教授和任晓兵教授；论文通讯单位是西安交通大学。

　　该成果的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。