西安交大，最新Nature!

具有钢样超高强度和类似聚合物超高柔韧性的金属合金长期以来被期望用于很多新兴技术，如变形飞机和超强人造肌肉等。这种非常规的属性组合能够以较低的驱动成本实现较大的可恢复形状变化，同时在大载荷下能够提供强大的抗断裂、屈服破坏能力。然而，要实现“强而柔韧”的合金制造是极具挑战性的，这需要在强度和柔韧性之间进行不可避免的权衡。在过去的几十年里，人们努力寻找同时具有高强度和低模量的金属合金，但仍然无法获得既具有钢样高屈服强度（σ_y > 1 GPa），又同时具有聚合物样低模量（E ≈ 10 GPa）的合金。

基于以上研究背景，西安交通大学任晓兵、马天宇、纪元超教授（共同通讯作者）等人通过简单的三步热机械处理，得到了一种“强而韧”的“双核应变玻璃”合金（DS-STG）。DS-STG合金表现出钢样的超高屈服强度（σ_y ≈ 1.8 GPa）和类聚合物的超低杨氏模量（E ≈ 10.5 GPa），以及约8%的橡胶样超大J形弹性应变。并且在较宽的温度范围内，合金的类聚合物超高强度行为可以持续存在。相关研究成果以“A polymer-like ultrahigh-strength metal alloy”为题发表在最新Nature期刊上。

图1. 类聚合物的超高强度DS-STG合金与典型的金属合金材料和有机材料进行比较。© 2024 Springer Nature

图2. DS-STG合金在很宽的温度范围内表现出类聚合物的超高强度和极好的耐高应变疲劳性能。© 2024 Springer Nature

图3. 实现DS-STG合金制备的三步热处理路线和各步对应材料的微观结构。© 2024 Springer Nature

图4. 原位XRD分析DS-STG合金类聚合物弹性的来源。© 2024 Springer Nature

图5.在T_a ≈ 573 K时DS-STG合金的类聚合物超低模量和高可恢复应变。© 2024 Springer Nature

该工作采用简单的三步热加工工艺制备了类聚合物超高强度的DS-STG金属合金。它具有类聚合物的超低弹性模量和钢样超高屈服强度，并具有约8%的大弹性应变、良好的温度稳定性和优异的抗高应变疲劳性能。这种非传统的合金克服了长期以来金属合金高强度和高柔韧性不可兼得的难题，有望为新兴技术的广泛应用打开大门，如变形航空航天飞行器、“超人型”人形机器人和人工器官，并且可工业扩展的制造路线使其大规模生产成为可能。