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中国团队研制出最强镁合金材料,登上nature封面

时间: 2017年05月08日 | 作者: 陈耕石 | 来源: 环球科学
中国科学家研制的一种高强度镁合金材料接近了理论上镁基合金的强度极限。

 

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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。

 

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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。(本刊记者提示:材料的硬度和强度不是相同的概念,天然硬度最高的钻石虽然非常耐磨,但在比它“软”得多的铁锤面前不堪一击,所以千万不要在家拿婚戒试!)

 

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。

 

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镁基双相纳米合金的显微结构

 

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铜46钇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。

 

今天上午,《环球科学》记者第一时间连线nature封面文章作者之一、浙江大学的朱林利副教授,请他介绍了关于这项研究的更多信息。

 

《环球科学》: 传统的纳米材料有什么缺陷?你们研发的新材料解决了这些问题了吗?

朱林利:  一般而言,纳米结构金属材料如纳米晶材料相比较于传统金属材料具有超高强度的力学特性。但是,随着晶粒尺寸的进一步减小,如晶粒尺寸小于10纳米,材料的强度会出现软化现象,即材料强度不再随着晶粒尺寸的减小而增强(反Hall-Petch关系),使得材料的强度无法达到理想强度(弹性模量E的十分之一或二十分之一)。在我们研发的双相镁合金中,晶粒尺寸和非晶区域的厚度均小于10纳米,材料的强度接近镁基非晶的理想强度E/20。

 

《环球科学》: 为什么选择镁-铜合金材料作为研究对象?

朱林利:  这是因为镁基合金在工业和生物医学领域均存在大量的潜在应用。比如,我们此次选择镁基合金是想提高它在医学临床应用中的力学特性如降低摩擦系数等(编者注:镁是人体必须的金属元素,体内组织或血液中含量很高,因此镁制的医疗器械植入人体后不会产生毒副作用)。

 

《环球科学》: 文章中描述的超纳米材料有什么应用前景?

朱林利:  由于双相超纳材料的两相几何尺寸均小于10纳米,我们相信这种新型结构的纳米材料将会表现出非常不同的力学和物理学性能。目前,针对超纳金属材料,将会在超高强度轻质结构的工业应用中存在巨大潜力,比如用于制作航空航天和自动化领域的高强度、轻量化零件。

 

 

《环球科学》: 实验中制备的超纳米双相材料,是否适合工业化生产?成本如何?

朱林利:  我们采用磁控溅射方法有制备出超纳双相镁合金直径约为10cm的圆形薄膜。磁控溅射的方法本身已经非常成熟,而且可以应用于大规模材料制备,因此成本并不高。同时,我们正在通过研发其他制备方法,提高制备超纳双相材料的效率。

 

撰文 《环球科学》特约记者 陈耕石 

 

论文链接:

Dual-phase nanostructuring as a route to high-strength magnesium alloys

DOI: 10.1038/nature21691


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