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  • 中国团队研制出最强镁合金材料 登上nature 封面

     

    在刚刚出版的《自然》杂志中,香港城市大学副校长吕坚、浙江大学朱林利副教授等中国科学家联合

    发表的论文《采用双相纳米结构制成高强度镁合金材料》(Dual-phase nanostructuring as a route to

    high-strength magnesium alloys)成为本期杂志的封面文章。

    在这篇重磅论文中,几位中国科学家介绍了他们研制的一种高强度镁合金材料——这种材料的强度,超过

    了所有已知镁基纳米材料,并接近理论上镁基合金的强度极限。

    在公众看来,镁合金似乎没有铝合金那样有名。其实,小到一分钱的硬币、手机笔记本电脑的外壳,

    大到飞机火箭都离不开镁合金材料。镁合金材料具有重量轻、性能良好,易于加工等诸多优势,一直是材

    料学的研究热点。

    人们的常识中,固态金属在常温下是以金属晶体的相态存在的。同种单质金属或合金比例不变的情况

    下,构成金属材料的微结构(如晶粒、孪晶等)形态、比例、大小等发生变化都会显著影响金属材料的性

    质,这就是材料学中一个被称作金相学的独立分支。随着现代电子显微镜技术的发展,科学家和工程师们

    已经能够从微观的角度观察金属晶体了。

    上世纪后半叶,科学家们发现随着构成金属材料的微结构尺寸不断减小,材料的某些性质会发生变化。

    当单个晶粒的直径达到100 纳米以下时,这些现象变得尤其明显,例如材料的强度和硬度会大幅提高,而

    延展性和韧性会下降。

    由这种纳米级微结构构成的金属材料被称作纳米金属材料,目前已经广泛应用的纳米结构硬质合金就

    是其中的代表。例如,钨-碳纳米硬质合金可以用来制造直径不足一毫米的高强度钻头。

    不为大众所知的是,金属材料能以匀质的非晶体相态存在,这一点和玻璃的微观结构类似,因此此种

    形态下的金属被称为金属玻璃。金属玻璃具有良好的弹性和抵抗塑性形变的能力,高尔夫球杆的击球部位

    就是由金属玻璃制成的,可以在承受巨大冲击后保持形状不变。

    过去的纳米金属材料很难达到理论上的强度。原因主要是在制备纳米金属晶体时存在一定的缺陷,从

    而导致整体材料强度不足。在相对低应力下,这一点表现的尤其突出。虽然近年来纳米金属材料的制备工

    艺显著进步,但通过工艺改善单一相态的金属纳米材料存在极限。

    吕坚等人尝试了另一种思路,用非晶态的金属玻璃包裹金属纳米晶体颗粒。吕坚等将纳米级镁-铜合

    金晶体嵌入了镁-铜-钇合金的非晶态金属外壳,制成了一种新型的镁基双相纳米合金材料,并将此种其

    命名为超纳米双相玻璃-晶体结构。

    这种新型纳米材料是由单个不足10 纳米的具有“外壳”的颗粒组成,单个颗粒核心成分是镁:铜=

    2:1(原子数比例,以下同)的典型晶体组成,外壳据估算是由镁:铜:钇=69:11:20 的典型非晶态金属构

    成。整体的合金材料可以写成镁49 46 9 的形式。通过检测目前得到的薄层材料,可以确定这种双相

    纳米镁基合金材料强度达到了3.3 吉帕,超过了所有已知镁基纳米材料并接近了理论上镁基合金的极限。

    (环球科学)