摘  要

 

在未来技术中，变形飞机和超强人造肌肉等金属合金产品都需要其材料既能像超高强度钢一样坚固，又能像聚合物一样柔韧。然而，实现这种“强韧而柔韧 ”的合金合成是具有一定挑战性的，因为需要在强度和柔韧度之间进行权衡。本文，团队报告了一种钛-50.8%镍应变玻璃合金，该合金同时具有超高屈服强度（σy≈1.8 GPa ，类似金属）、超低弹性模量（E≈10.5 GPa，类似聚合物），超大弹性应变（约8%，类似橡胶），此外，它还能在 -80°C至+80°C的宽温度范围内保持这些特性。因此这类奇特合金可能为许多未来技术开辟新的前景，如变形航空飞行器、人造肌肉和人造器官等。

 

背景介绍

 

长期以来，许多新兴技术（如变形飞机和超强人工肌肉）都希望采用同时具有钢铁般超高强度和聚合物般超高柔韧性的奇特金属合金，这种非常规的 “强韧且柔韧 ”特性组合（图 1a 中的红色圆圈）既能在形变后快速的恢复到原本的形状，同时还能在较大载荷下提供较强的抗断裂能力。

 

然而，实现这种非常规合金仍然具有挑战性，如图 1a 中的灰色带所示。该图揭示了一个常见的现象，即钢材的强度很高（屈服强度 σy > 1 G Pa），但柔韧性较差（杨氏模量 E ≈ 200 G Pa），而纤维聚合物（Fibre-reinforced polymers，FRP）等有机材料则具有相反的特性，即柔韧性好（典型的低 E ≈ 10 G Pa）但硬度低（σy < 0.3 G Pa）。强度-柔性的权衡源于以下事实：这两种特性与材料的粘合强度成反比，而粘合强度大致由弹性模量表示，因此，这种特性使得 1 G Pa 级、类似钢的高强度合金无法具有 10 G Pa 级、类似聚合物的低模量。

 

团队成果

 

在本文中，团队展示了一种钛-50.8%镍双种子应变玻璃合金（Ti–50.8 at.% Ni dual-seed strain glass，DS-STG），它能克服强度与柔性之间的权衡，同时表现出超高屈服强度和超低杨氏模量（如图1a所示），以及约 8%的超大橡胶类弹性应变能力（如图 1b所示）。与现有结构材料相比，该合金还具有较高的的柔韧系数 σy/E ≈ 0.17（如图 1c所示），其行为类似于超强聚合物（如图 1d及视频所示）。

 

图1. 与典型金属合金和有机材料相比，DS-STG 合金具有聚合物般的超高强度

 

此外，该材料的上述特性可在 193 K（-80 °C）至 353 K（+80 °C）的环境温度范围内持续存在（图 2a），这将使其在航空航天技术中得到应用，而且与其他柔性材料相比，该合金具有优异的抗疲劳性能（图 2b）。

 

图2. DS-STG 合金在很宽的温度范围内具有类似聚合物的超高强度和出色的高应变抗疲劳性

 

DS-STG 合金制备工艺-三步热机械加工工艺

 

通过三步热机械加工工艺制备DS-STG 合金的步骤如图3所示：

 

A：加工路线和每一步完成后的获得的相应相态。未冻结的应变玻璃（B2 母相，其显微组织如图 4a所示）通过步骤 1 加工后获得的形变稳定 B19′martensite（其显微组织如图 4b所示）；

B：经过第 2 步处理后，样品从稳定的B19′martensite变成了 DC-STG（dual-crossover strain glass，这是一种室温下的未冻结 R-STG，其显微组织如图 4c所示）；

C：经过步骤 3 处理后，样品由DC-STG变成了 DS-STG，通过室温下的高分辨率 TEM 图像（顶部）可证明。

 

图3. 实现 DS-STG 合金的三步热机械加工路线以及每一步后样品的微观结构

 

图4. 三种不同状态下 Ti-50.8Ni 合金的室温微观结构和力学性能

 

结论

 

在本文中，团队通过简单的三步热机械加工路线，制造出一种类聚合物超高强度金属合金 DS-STG，它兼具约 10.5 G Pa 的类聚合物超低弹性模量、约 1.3-1.8 G Pa 的类钢超高屈服强度、约 8%的弹性应变，以及良好的温度稳定性和优异的高应变抗疲劳性。

 

这种非传统合金克服了长期以来阻碍实现这种性能的强度和弹性权衡问题。超低的弹性模量源于DS-STG 独特的状态，这种状态实现了应变玻璃与 R 和 B19′martensite之间的可逆转变，而超高强度则源于变形强化效应。这种类似聚合物的超高强度合金可能为变形航空飞行器、超人型仿人机器人和人造器官等新兴技术的广泛应用打开大门。

 

 

来源：和义广业创新平台

关键词： 金属合金