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未来的技术，如变形飞机和超强人造肌肉，都依赖于金属合金，它既要像超高强度的钢一样坚固，又要像聚合物一样柔韧。
然而，由于强度和灵活性之间不可避免的权衡，实现这种“强而柔韧”的合金已被证明是具有挑战性的。
在此，来自西安交通大学的纪元超&马天宇和西安交通大学&日本国立物质材料研究所的任晓兵等研究者报告一种Ti-50.8 at.% Ni应变玻璃合金，具有极高的屈服强度σy≈1.8 GPa，类聚合物的超低弹性模量E≈10.5 GPa，类橡胶的超大弹性应变约为8%。相关论文以题为“A polymer-like ultrahigh-strength metal alloy”于2024年09月04日发表在Nature上。
这种“强而柔”的独特性能组合(图1a中的红圈)，可以在低驱动成本下实现大幅度的可恢复形变，同时在承受大载荷时提供强大的抗断裂或屈服能力。
因此，这类合金可以应用于变形飞机的机翼或人形机器人中的超强人工肌肉，等等。然而，实现这种非同寻常的合金一直充满挑战，因为强度和柔韧性之间存在不可避免的权衡(柔韧性通常用弹性顺应性或弹性模量的倒数来衡量)，如图1a中的灰色带状区域(也称为阿什比图)所示。
图中揭示了一个普遍现象：钢材可以制得非常坚固(屈服强度σy > 1 GPa)，但其刚性较大(杨氏模量E ≈ 200 GPa)，而有机材料如纤维增强聚合物(FRPs)则相反，具有较好的柔韧性(典型的低E ≈ 10 GPa)但较弱(σy < 0.3 GPa)。
强度和柔韧性之间的权衡，源于这两个性能与材料的键强度呈反相关，而键强度大致可以用弹性模量来表示。因此，这种不可避免的权衡阻止了1 GPa级别的钢铁般高强度合金，拥有10 GPa级别的聚合物般低模量。
在过去的几十年里，人们为寻找同时具有高强度和低模量的金属合金付出了巨大的努力，但一种同时表现出钢铁般高屈服强度(σy > 1 GPa)和聚合物般低模量(E ≈ 10 GPa)的合金仍未实现。
到目前为止，基于形状记忆合金(SMA)的一些合金已被报道具有1 GPa级别的高强度和适中的低模量(E ≈ 30 GPa)，而一种传统的镁-钪应变玻璃合金最近显示出具有更低的模量(E ≈ 20 GPa)，但强度较低(σy ≈ 0.3 GPa)。
尽管，研究者做出了这些努力，现有的合金仍然处于图1a中灰色带状区域的常规范围内，而人们所期望的聚合物般的超高强度特性(图1a中的红圈)仍然难以实现。
此外，这种聚合物般的超高强度行为在193 K(−80 °C)到353 K(+80 °C)的宽广环境温度范围内仍能保持(图2a)，这使其在航空航天技术中具有应用潜力。同时，该合金与其他柔性材料相比表现出优异的抗疲劳性能(图2b)。
研究表面，该合金通过简单的三步热处理制成，可扩展到工业生产线，不仅由于变形强化而具有超高强度，而且由于形成独特的“双种子应变玻璃”显微结构而具有超低模量，该显微结构由嵌入少量排列的R和B19“马氏体”种子的应变玻璃基体组成。
原位X射线衍射分析表明，合金的类聚合物变形行为源于加载和卸载过程中应变玻璃与R和B19′马氏体之间的无核可逆转变。这种具有大规模生产潜力的奇异合金，可能为许多未来技术开辟新的领域，如变形航天飞行器、超人型人造肌肉和人造器官。
图1 将类聚合物的超高强度DS-STG合金与典型的金属合金和有机材料进行比较。
图2 DS-STG合金在宽温度范围内表现出类聚合物的超高强度，同时具有优异的高应变抗疲劳性能。
图3 采用三步热处理路线，实现了DS-STG合金及各步骤后试样的显微组织。
图4 DS-STG合金聚合物样弹性的原位XRD分析。
图5 Ta≈573 K时DS-STG态的类聚合物超低模量和高可恢复应变。
综上所述，研究者通过简单的三步热机械加工工艺，制备了一种类聚合物的超高强度金属合金DS-STG。
该合金结合了聚合物般的超低弹性模量(约10.5 GPa)和钢铁般的超高屈服强度(约1.3-1.8 GPa)，并具有约8%的大伪弹性应变、良好的温度稳定性以及出色的高应变抗疲劳性能。这种非传统的合金克服了长期以来阻碍人们实现的强度与柔韧性之间的权衡。
超低弹性模量源于独特的DS-STG状态，该状态使应变玻璃与R和B19′马氏体之间能够进行无形核可逆转变，而超高强度则归因于变形强化效应。
这种类聚合物的超高强度合金，有望为变形航天器、“超人型”人形机器人和人工器官等新兴技术领域的广泛应用打开大门。工业可扩展的制造路线，可能使这种合金的大规模生产成为可能。
Xu, Z., Ji, Y., Liu, C. et al. A polymer-like ultrahigh-strength metal alloy. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07900-4
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07900-4
