對(duì)結(jié)構(gòu)金屬材料而言，高強(qiáng)度與具備高延展性往往不可兼容。最近香港城市大學(xué)（城大）領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究提出新策略，以打破這個(gè)定律。研究團(tuán)隊(duì)通過分子動(dòng)力學(xué)模擬，輔助非晶-納米晶多級(jí)納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，開發(fā)出一種迄今為止最高強(qiáng)度並且具備高延展性的鋁合金。這種新物料未來或可應(yīng)用於柔性可穿戴電子器件的微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）上。

城大副校長(zhǎng)（研究及科技）兼國(guó)家貴金屬材料工程技術(shù)研究中心香港分中心和先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料研究中心主任、以及機(jī)械工程學(xué)系講座教授呂堅(jiān)教授帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)，早前已開發(fā)出全球首創(chuàng)的超納鎂合金雙相材料。該尖端新型材料的強(qiáng)度較當(dāng)時(shí)現(xiàn)有超強(qiáng)鎂合金晶態(tài)材料高出十倍，變形能力則較鎂基金屬玻璃高兩倍，並可發(fā)展成可生物降解植入材料。該重大研究成果更成為2017年5月4日出版、國(guó)際頂尖科學(xué)學(xué)術(shù)期刊《自然》的封面故事。

突破高強(qiáng)度與高延展性不兼容的局限

研究團(tuán)隊(duì)及後未有怠慢，繼而將目光投向開發(fā)出既高強(qiáng)度、亦具高延展性的材料，近期再下一城，透過先進(jìn)的納米結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)，用約4納米厚的金屬玻璃殼，包裹著直徑約40納米的面心立方（face-centred-cubic, fcc）納米晶粒，開發(fā)出「多級(jí)納米結(jié)構(gòu)鋁合金」（hierarchical nanostructured aluminum alloy）。

一般而言，高強(qiáng)度晶態(tài)合金的設(shè)計(jì)，通常會(huì)透過控制缺陷來阻擋位錯(cuò)（dislocation，即原子的局部不規(guī)則排列、晶體缺陷）的移動(dòng)，從而達(dá)致強(qiáng)化的效果。然而，晶態(tài)材料強(qiáng)化的代價(jià)往往是犧牲了塑性（即是物件被施加外力時(shí)變形的能力。當(dāng)外力較小時(shí)物件會(huì)發(fā)生彈性變形，而當(dāng)外力超過某個(gè)數(shù)值，物件便產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的形變，叫塑性變形）。那城大這項(xiàng)研究是如何魚與熊掌兼得的呢？

揉合金屬玻璃與晶態(tài)材料

關(guān)鍵就在於結(jié)合納米尺寸的非晶態(tài)金屬玻璃（metallic glass）與晶態(tài)的納米材料。金屬玻璃又稱為非晶態(tài)金屬，具有不同的變形機(jī)制，不會(huì)出現(xiàn)因基於位錯(cuò)移動(dòng)的晶面滑移，所以相比晶態(tài)材料，能展現(xiàn)出達(dá)2%、較大的彈性變形，也因此較晶態(tài)材料有更高的屈服強(qiáng)度。

然而，室溫下金屬玻璃的塑性變形主要在納米尺度的剪切帶（shear bands，即非均勻變形的區(qū)域）出現(xiàn)，令材料沿著剪切帶軟化和擴(kuò)展，最終會(huì)導(dǎo)致這些非晶材料的失穩(wěn)斷裂。因此，如果要完全壓制金屬玻璃相的剪切帶行為出現(xiàn)，理論上金屬玻璃相的尺寸需要小於100納米（甚至10納米），這樣便能大大提升其強(qiáng)度，同時(shí)保留金屬玻璃的塑性特質(zhì)。

團(tuán)隊(duì)按著這個(gè)方向，成功研發(fā)出「多級(jí)納米結(jié)構(gòu)鋁合金」，以極薄的金屬玻璃相包裹著晶相，令材料同時(shí)兼具納米級(jí)金屬玻璃相的塑性流變行為，以及晶體相的應(yīng)變硬化（strain hardening，即材料經(jīng)過塑性變形後，內(nèi)部組織產(chǎn)生變化，提高了材料的抗變形能力），提供魚與熊掌兼得的高強(qiáng)度和高塑性。

 

高強(qiáng)度兼高塑性

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，「多級(jí)納米結(jié)構(gòu)鋁合金」具備1.7 GPa的超高壓縮屈服強(qiáng)度，以及1.2 GPa的拉伸屈服強(qiáng)度。相反，鋁基金屬玻璃（aluminum-based metallic glass）的壓縮屈服強(qiáng)度只有1.0 GPa兼毫無彈性，而納米晶鋁（nanocrystalline aluminum）的壓縮屈服強(qiáng)度更只有0.2 GPa。研究團(tuán)隊(duì)相信，納米級(jí)金屬玻璃由於體積極小，已經(jīng)接近於理想強(qiáng)度，加上取代了晶界，因此避免出現(xiàn)造成一般納米晶態(tài)材料變軟的晶界遷移，同時(shí)阻止位錯(cuò)由納米晶粒滑向旁邊的晶粒，令「多級(jí)納米結(jié)構(gòu)鋁合金」具備超高強(qiáng)度。

至於在塑性變形過程中，包裹在外的金屬玻璃相由於體積極小而出現(xiàn)流變，納米晶和金屬玻璃相之間的界面就會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)。有一部分位錯(cuò)會(huì)在納米晶粒中堆積來提供應(yīng)變硬化。另外大部分的位錯(cuò)會(huì)在納米晶粒中移動(dòng)，並在另一個(gè)納米晶/金屬玻璃相的界面處湮滅（即被邊界的原子所吸收），此種位錯(cuò)可被稱之為「轉(zhuǎn)瞬」位錯(cuò)。「轉(zhuǎn)瞬」位錯(cuò)的產(chǎn)生-移動(dòng)-湮滅的連續(xù)過程，以及納米級(jí)金屬玻璃本身的塑性流變行為，造就了此材料的高塑性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，「多級(jí)納米結(jié)構(gòu)鋁合金」展現(xiàn)出很大的塑性變形，應(yīng)變（strain）超過70%。

 

 

研究數(shù)據(jù)又顯示，在壓縮之下，「多級(jí)納米結(jié)構(gòu)鋁合金」顯示出均勻變形：內(nèi)部直徑約40納米的納米晶粒會(huì)被壓至大約8納米，而外部本約4納米厚的金屬玻璃相會(huì)被壓縮至大約1納米，兼且沒有出現(xiàn)剪切帶，證實(shí)了團(tuán)隊(duì)上述有關(guān)壓制剪切帶形成的假設(shè)。

鋁合金用途廣泛

「這次研究成果成功展示了材料科學(xué)工程領(lǐng)域中，開發(fā)一種多級(jí)納米結(jié)構(gòu)的新策略。」呂堅(jiān)教授說。「這種研製鋁合金的方法，相信有助日後研發(fā)輕量並強(qiáng)韌的合金，以應(yīng)用在具備微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的柔性可穿戴器件中。」

研究結(jié)果早前於學(xué)術(shù)期刊《自然通訊》上發(fā)表，題為《Hierarchical nanostructured aluminum alloy with ultrahigh strength and large plasticity》。呂堅(jiān)教授是論文的通訊作者。第一、二和三作者同樣來自城大，分別是研究員吳戈博士、劉暢博士（吳、劉現(xiàn)為德國(guó)馬普學(xué)會(huì)鋼鐵研究所的博士後）和孫李剛博士（現(xiàn)為哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）助理教授）。其他來自城大的研究團(tuán)隊(duì)成員包括城大香港高等研究院資深院士、大學(xué)傑出教授劉錦川教授、機(jī)械工程學(xué)系講座教授開執(zhí)中教授、陸洋副教授、王慶博士（現(xiàn)為上海大學(xué)研究員）、韓斌博士（現(xiàn)為陜西科技大學(xué)副教授）、高級(jí)副研究員欒軍華博士、副研究員曹可和博士生成勵(lì)子。

這項(xiàng)研究得到城大、香港研究資助局、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

DOI number: 10.1038/s41467-019-13087-4

 

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