導讀：空間技術的快速發展對彈性材料提出了巨大的挑戰，彈性材料不僅需要重量輕、強度高，還要能夠在很寬的溫度范圍內保持穩定的彈性。本文報告了一種輕質鎂-鈧應變玻璃合金，可以應對這一挑戰。這種合金與骨骼和玻璃纖維增強塑料等有機基材料一樣輕（密度~2g·cm–3）和柔順性，但與這些材料相比，它從室溫到123 K的寬溫度范圍內具有超低楊氏模量（~20–23GPa）；更高的屈服強度~200–270MPa；以及超過一百萬次循環的長疲勞壽命。因此，在200MPa的中等應力水平下，它在已知材料中表現出相對較高的、與溫度無關的彈性能量密度，約為0.5kJ·kg-1。研究結果為設計具有非常規和技術上重要的彈性特性的材料提供了見解。

鎂合金在所有金屬結構材料中具有最低的密度（ρ≈1.8g·cm-3），可與許多有機基天然或人造結構材料相媲美，如骨骼、硬木和玻璃纖維增強塑料。因此，它們有可能成為解決空間技術中對各種輕質彈性部件（如輪胎、彈簧和密封件）的需求的解決方案。這些應用需要在中等應力水平（例如，~200 MPa）下具有較高的重量比彈性能量密度（即每公斤的彈性能量），并且這種特性需要對溫度不敏感。由于重量比彈性能量密度U定義為U=σ2/2ρE，其中σ表示應力，E表示彈性模量，因此有希望的候選材料需要同時具備低密度、高屈服強度和低模量，以及寬溫度范圍內的模量不變性（稱為Elinvar效應）。然而，現有的鎂合金面臨著高強度和低彈性模量之間權衡的挑戰,這妨礙了同時實現高強度和低模量；由于隨著溫度的降低，金屬結合力更強，彈性硬化效應對在寬溫度范圍內所需的彈性模量不變性提出了挑戰，這是普通金屬和合金23（包括鎂合金）的共同特征。

在此，西安交通大學任曉冰教授等人報告了一個令人驚奇的發現，即在稍高的Sc摻雜（0.8 %）下，Mg-21.3Sc合金顯示出與Mg-20.5ScSMA截然不同的彈性行為。這種合金表現出所需的低密度（~2 g cm-3）、幾乎與溫度無關（Elinvar型）、低楊氏模量（~20-23 GPa）和高屈服強度（~200-270 MPa）的性能，并且這些特性在從室溫（298 K）到低溫（123 K）的寬溫度范圍內持續存在。因此，相對于已知的工程彈性材料，它在200 MPa的中等應力下具有較高的彈性能量密度（U = ~0.5 kJ kg-1）。此外，這種輕質彈性材料具有超過一百萬次循環的長疲勞壽命，優于各種鎂合金、GFRP和高強度鋁合金，這種性能使其成為空間和航空航天應用中輕質彈性部件的有前途的材料。

相關研究成果以題“A lightweight strain glass alloy showing nearly temperature-independent low modulus and high strength”發表在《自然·材料》（Nature Materials）上。

鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-022-01298-y

具有20.5%Sc(Mg-20.5Sc)的Mg合金由于馬氏體轉變而表現出形狀記憶效應和超彈性。雖然大的超彈性原則上可以提供高彈性能量密度的可能性，但Mg-20.5Sc形狀記憶合金(SMA)具有與其他SMAs相同的缺點，超彈性和存儲的彈性能量強烈依賴于溫度，并且超彈性在馬氏體轉變溫度以下消失。使用SMA的低彈性模量特性進行彈性能量存儲（即將應力水平限制在彈性范圍內）的可能性也被彈性模量的強溫度依賴性（稱為彈性軟化效應）排除了，當溫度低于馬氏體轉變溫度時，塑性最終出現。因此，所有性能對溫度的強烈依賴性使得形狀記憶鎂合金不適用于溫度不穩定環境中的彈性應用。在這里，我們報告了一個令人驚訝的發現，即在稍高的Sc摻雜（0.8%）下，Mg-21.3Sc合金顯示出與Mg-20.5ScSMA截然不同的彈性行為。這種合金表現出所需的低密度（~2g·cm-3）、幾乎與溫度無關（Elinvar型）、低楊氏模量（~20-23GPa）和高屈服強度（~200-270MPa）的性能），并且這些特性在從室溫（298K）到低溫（123K）的寬溫度范圍內持續存在。因此，相對于已知的工程彈性材料，它在200 MPa的中等應力下具有較高的彈性能量密度（U=~0.5 kJ·kg-1），由于克服了低模量和高強度之間的權衡關系。此外，這種輕質彈性材料具有較長的疲勞壽命100萬次循環，優于各種Mg合金、GFRP和高強度鋁合金。這種性能使其成為空間和航空航天應用中輕質彈性部件的有前途的材料。

圖1 Mg-21.3Sc應變玻璃在室溫下的彈性和機械性能。a，Mg-21.3Sc應變玻璃合金、GFRP、CFRP、Mg合金和鋁基、鐵基和鈦基合金在200MPa載荷下的彈性能量密度比較。b,Mg-21.3Sc應變玻璃合金的楊氏模量與屈服強度的關系以及與骨骼和鎂合金主要家族的比較。c，CR和SQ Mg-21.3Sc應變玻璃合金在293 K的高應力/應變幅度（屈服應力的90%）下經受了一百萬次循環疲勞試驗，并顯示出彈性模量的穩定性（動態彎曲模量）在應力循環。

圖2 Mg-21.3Sc應變玻璃合金在寬溫度范圍內的Elinvar型彈性。a，Mg-21.3Sc應變玻璃合金在298-123 K的寬溫度范圍內顯示出與溫度無關的（Elinvar型）低模量。b，Mg-21.3Sc應變玻璃合金（SQ）表現出對溫度不敏感的彈性變形行為。c，Mg-21.3Sc應變玻璃合金在298-123 K的寬溫度范圍內表現出與溫度無關的高彈性能量密度。

圖3 Mg-21.3Sc合金(SQ)中應變玻璃化轉變的宏觀特征。a，差示掃描量熱曲線中沒有馬氏體轉變峰。b，298和123K的X射線衍射圖顯示的平均結構不變性。c，通過動態力學分析測量儲能模量和內摩擦tanδ（δ是應力之間的相位差）在Tg下的頻率相關異常（不同顏色分別代表0.2、0.4、1、2、10、20Hz的頻率）和應變d，ZFC/FC實驗在40MPa下揭示的晶格應變狀態的歷史依賴性（用不同的晶格應變符號表示）。

圖4 Mg-21.3Sc應變玻璃合金（SQ)中局部對稱性破缺的證據。a，室溫下具有[110]β區軸的粗花呢狀形態。b，具有[111]β區軸的明場圖像和相應的衍射圖案。c，a中放大的花呢狀區域顯示了bcc晶格的局部晶格畸變。d，通過選擇所有1/2{112}超晶格反射獲得的c的快速傅里葉逆變換圖像。

圖5 原位暗場TEM觀察Mg-21.3Sc應變玻璃合金(SQ)中納米域的平滑演變。a,b，在298 K(a)和123K(b)拍攝的圖像。

總之，發現Mg-21.3Sc應變玻璃合金具有Elinvar型低模量、高屈服強度和長疲勞壽命。因此，它表現出與溫度無關的彈性能量密度約為0.5 kJ·kg-1，在200 MPa的中等應力水平下，在已知的工程材料中是很高的。獨特的對溫度不敏感的彈性可能使這種輕質合金成為太空和航空航天等溫度變化環境中理想的彈性材料，以及由于其模量接近人體骨骼而在骨科應用中很有前景的植入材料。