具有鋼樣超高強(qiáng)度和類似聚合物超高柔韌性的金屬合金長期以來被期望用于很多新興技術(shù)，如變形飛機(jī)和人造肌肉等。這種非常規(guī)的屬性組合能夠以較低的驅(qū)動成本實(shí)現(xiàn)較大的可恢復(fù)形狀變化，同時在大載荷下能夠提供強(qiáng)大的抗斷裂、屈服破壞能力。然而，要實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)而柔韌"的合金制造是挑戰(zhàn)性的，這需要在強(qiáng)度和柔韌性之間進(jìn)行不可避免的權(quán)衡。在過去的幾十年里，人們努力尋找同時具有高強(qiáng)度和低模量的金屬合金，但仍然無法獲得既具有鋼樣高屈服強(qiáng)度（σy > 1 GPa），又同時具有聚合物樣低模量（E ≈ 10 GPa）的合金。
基于以上研究背景，西安交通大學(xué)任曉兵、馬天宇、紀(jì)元超教授（共同通訊作者）等人通過簡單的三步熱機(jī)械處理，得到了一種“強(qiáng)而韌"的“雙核應(yīng)變玻璃"合金（DS-STG）。DS-STG合金表現(xiàn)出鋼樣的超高屈服強(qiáng)度（σy ≈ 1.8 GPa）和類聚合物的超低楊氏模量（E ≈ 10.5 GPa），以及約8%的橡膠樣超大J形彈性應(yīng)變。并且在較寬的溫度范圍內(nèi)，合金的類聚合物超高強(qiáng)度行為可以持續(xù)存在。相關(guān)研究成果以“A polymer-like ultrahigh-strength metal alloy"為題發(fā)表在最新Nature期刊上。
圖1. 類聚合物的超高強(qiáng)度DS-STG合金與典型的金屬合金材料和有機(jī)材料進(jìn)行比較。© 2024 Springer Nature
圖2. DS-STG合金在很寬的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出類聚合物的超高強(qiáng)度和耐高應(yīng)變疲勞性能。© 2024 Springer Nature
圖3. 實(shí)現(xiàn)DS-STG合金制備的三步熱處理路線和各步對應(yīng)材料的微觀結(jié)構(gòu)。© 2024 Springer Nature
圖4. 原位XRD分析DS-STG合金類聚合物彈性的來源。© 2024 Springer Nature
圖5.在Ta ≈ 573 K時DS-STG合金的類聚合物超低模量和高可恢復(fù)應(yīng)變。© 2024 Springer Nature
該工作采用簡單的三步熱加工工藝制備了類聚合物超高強(qiáng)度的DS-STG金屬合金。它具有類聚合物的超低彈性模量和鋼樣超高屈服強(qiáng)度，并具有約8%的大彈性應(yīng)變、良好的溫度穩(wěn)定性和優(yōu)異的抗高應(yīng)變疲勞性能。這種非傳統(tǒng)的合金克服了長期以來金屬合金高強(qiáng)度和高柔韌性不可兼得的難題，有望為新興技術(shù)的廣泛應(yīng)用打開大門，如變形航空航天飛行器、“超人型"人形機(jī)器人和人工器官，并且可工業(yè)擴(kuò)展的制造路線使其大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。
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