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(zhǎng)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(dòng)成本實(shí)現(xiàn)較大的可恢復(fù)形狀變化，同時(shí)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(shí)具有高強(qiáng)度和低模量的金屬合金，但仍然無(wú)法獲得既具有鋼樣高屈服強(qiáng)度（σ_y > 1 GPa），又同時(shí)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(jiǎn)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（σ_y ≈ 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(duì)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T_a ≈ 573 K時(shí)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(jiǎn)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(zhǎng)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。