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摘  要

在未來技術(shù)中，變形飛機(jī)和超強(qiáng)人造肌肉等金屬合金產(chǎn)品都需要其材料既能像超高強(qiáng)度鋼一樣堅(jiān)固，又能像聚合物一樣柔韌。然而，實(shí)現(xiàn)這種“強(qiáng)韌而柔韌 ”的合金合成是具有一定挑戰(zhàn)性的，因?yàn)樾枰趶?qiáng)度和柔韌度之間進(jìn)行權(quán)衡。本文，團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種鈦-50.8%鎳應(yīng)變玻璃合金，該合金同時(shí)具有超高屈服強(qiáng)度（σy≈1.8 GPa ，類似金屬）、超低彈性模量（E≈10.5 GPa，類似聚合物），超大彈性應(yīng)變（約8%，類似橡膠），此外，它還能在 -80°C至+80°C的寬溫度范圍內(nèi)保持這些特性。因此這類奇特合金可能為許多未來技術(shù)開辟新的前景，如變形航空飛行器、人造肌肉和人造器官等。

背景介紹

長(zhǎng)期以來，許多新興技術(shù)（如變形飛機(jī)和超強(qiáng)人工肌肉）都希望采用同時(shí)具有鋼鐵般超高強(qiáng)度和聚合物般超高柔韌性的奇特金屬合金，這種非常規(guī)的 “強(qiáng)韌且柔韌 ”特性組合（圖 1a 中的紅色圓圈）既能在形變后快速的恢復(fù)到原本的形狀，同時(shí)還能在較大載荷下提供較強(qiáng)的抗斷裂能力。

然而，實(shí)現(xiàn)這種非常規(guī)合金仍然具有挑戰(zhàn)性，如圖 1a 中的灰色帶所示。該圖揭示了一個(gè)常見的現(xiàn)象，即鋼材的強(qiáng)度很高（屈服強(qiáng)度 σy > 1 G Pa），但柔韌性較差（楊氏模量 E ≈ 200 G Pa），而纖維聚合物（Fibre-reinforced polymers，F(xiàn)RP）等有機(jī)材料則具有相反的特性，即柔韌性好（典型的低 E ≈ 10 G Pa）但硬度低（σy < 0.3 G Pa）。強(qiáng)度-柔性的權(quán)衡源于以下事實(shí)：這兩種特性與材料的粘合強(qiáng)度成反比，而粘合強(qiáng)度大致由彈性模量表示，因此，這種特性使得 1 G Pa 級(jí)、類似鋼的高強(qiáng)度合金無法具有 10 G Pa 級(jí)、類似聚合物的低模量。

團(tuán)隊(duì)成果

在本文中，團(tuán)隊(duì)展示了一種鈦-50.8%鎳雙種子應(yīng)變玻璃合金（Ti–50.8 at.% Ni dual-seed strain glass，DS-STG），它能克服強(qiáng)度與柔性之間的權(quán)衡，同時(shí)表現(xiàn)出超高屈服強(qiáng)度和超低楊氏模量（如圖1a所示），以及約 8%的超大橡膠類彈性應(yīng)變能力（如圖 1b所示）。與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料相比，該合金還具有較高的的柔韌系數(shù) σy/E ≈ 0.17（如圖 1c所示），其行為類似于超強(qiáng)聚合物（如圖 1d及視頻所示）。

圖1. 與典型金屬合金和有機(jī)材料相比，DS-STG 合金具有聚合物般的超高強(qiáng)度

此外，該材料的上述特性可在 193 K（-80 °C）至 353 K（+80 °C）的環(huán)境溫度范圍內(nèi)持續(xù)存在（圖 2a），這將使其在航空航天技術(shù)中得到應(yīng)用，而且與其他柔性材料相比，該合金具有優(yōu)異的抗疲勞性能（圖 2b）。

圖2. DS-STG 合金在很寬的溫度范圍內(nèi)具有類似聚合物的超高強(qiáng)度和出色的高應(yīng)變抗疲勞性

DS-STG 合金制備工藝-三步熱機(jī)械加工工藝

通過三步熱機(jī)械加工工藝制備DS-STG 合金的步驟如圖3所示：

A：加工路線和每一步完成后的獲得的相應(yīng)相態(tài)。未凍結(jié)的應(yīng)變玻璃（B2 母相，其顯微組織如圖 4a所示）通過步驟 1 加工后獲得的形變穩(wěn)定 B19′martensite（其顯微組織如圖 4b所示）；

B：經(jīng)過第 2 步處理后，樣品從穩(wěn)定的B19′martensite變成了 DC-STG（dual-crossover strain glass，這是一種室溫下的未凍結(jié) R-STG，其顯微組織如圖 4c所示）；

C：經(jīng)過步驟 3 處理后，樣品由DC-STG變成了 DS-STG，通過室溫下的高分辨率 TEM 圖像（頂部）可證明。

圖3. 實(shí)現(xiàn) DS-STG 合金的三步熱機(jī)械加工路線以及每一步后樣品的微觀結(jié)構(gòu)

圖4. 三種不同狀態(tài)下 Ti-50.8Ni 合金的室溫微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能

結(jié)論

在本文中，團(tuán)隊(duì)通過簡(jiǎn)單的三步熱機(jī)械加工路線，制造出一種類聚合物超高強(qiáng)度金屬合金 DS-STG，它兼具約 10.5 G Pa 的類聚合物超低彈性模量、約 1.3-1.8 G Pa 的類鋼超高屈服強(qiáng)度、約 8%的彈性應(yīng)變，以及良好的溫度穩(wěn)定性和優(yōu)異的高應(yīng)變抗疲勞性。

這種非傳統(tǒng)合金克服了長(zhǎng)期以來阻礙實(shí)現(xiàn)這種性能的強(qiáng)度和彈性權(quán)衡問題。超低的彈性模量源于DS-STG 獨(dú)特的狀態(tài)，這種狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變玻璃與 R 和 B19′martensite之間的可逆轉(zhuǎn)變，而超高強(qiáng)度則源于變形強(qiáng)化效應(yīng)。這種類似聚合物的超高強(qiáng)度合金可能為變形航空飛行器、超人型仿人機(jī)器人和人造器官等新興技術(shù)的廣泛應(yīng)用打開大門。