香港城市大學(xué)呂堅教授團隊近日在材料研究取得重大突破，全球首次制備出了超納鎂合金材料。這種結(jié)構(gòu)使得鎂合金具備3.3GPa的超高強度，達到了近理論值E/20（其中，E為材料的楊氏模量）。這種尖端新型材料的強度比現(xiàn)有超強鎂合金晶體材料高出十倍！變形能力較鎂基金屬玻璃高兩倍，并可發(fā)展成為生物降解植入材料。昨天（4月5日），相關(guān)論文在Nature線上發(fā)表。

    新型材料的強度較現(xiàn)有超強鎂合金晶體材料高出十倍

    如何使材料的強度接近理論值一直是一個研究熱點，然而，其制備方法的苛刻與復(fù)雜性往往限制了其實際應(yīng)用。在材料研究領(lǐng)域，人們通常使用阻止位錯運動的缺陷的控制來提高強度。然而，這種強化效應(yīng)不能被無限地擴大。引入過多的缺陷會使得材料的主導(dǎo)變形機制由位錯相關(guān)過程向缺陷軟化行為轉(zhuǎn)變。例如，納米晶/納米孿晶材料的的強度通常位于σ =E/85區(qū)域（其中σ為強度，為E楊氏模量）。非晶化是另一種提高材料強度的有效途徑，這是由于非晶結(jié)構(gòu)中不含有晶界和位錯等缺陷。材料非晶化后，其變形模式由位錯活動向剪切變形完全轉(zhuǎn)變。金屬玻璃（MG）的強度位于σ =E/50區(qū)域，通常高于其晶體形態(tài)。然而，由于在形變過程中的剪切應(yīng)力集中所導(dǎo)致的剪切帶的軟化效應(yīng)使得MG所能承受的最大應(yīng)力只能被限制在2%的應(yīng)變處。因此，非晶材料的強度也不能達到理論值。

    呂堅教授研究組一直致力于MG材料及高強高韌納米晶組織結(jié)構(gòu)及其性能的研究，他們一直致力于多尺度應(yīng)變非局域化高強高韌。如該組在Physical Review Letters（Wang, Q., Liu, C. T., Yang, Y., Dong, Y. & Lu, J., Phys. Rev.Lett. 106, 215505 （2011））上報道了在原子尺度上實現(xiàn)MG雙相結(jié)構(gòu)來討論類二十面體短程有序結(jié)構(gòu)對MG熱穩(wěn)定性的重要作用；在Nature Materials（Ye, J., Lu, J., Liu, C., Wang, Q. & Yang, Y., Nat. Mater. 9, 619-623 （2010））及 Nature Communications（Wang, Q, Zhang, ST, Yang,Y, Dong, YD, Liu, CT, Lu, J, Nat. Commun. 6 （2015））上報道了MG原子尺度的非均勻性；并于Advanced Materials（Kou, H., Lu, J. & Li, Y., Adv. Mater. 26, 5518-5524 （2014））中預(yù)見了若MG材料中兩相（兩非晶相或納米晶相-非晶相）的體積比為1:1時，材料將會出現(xiàn)優(yōu)異的力學(xué)性能。

    超納雙相材料高分辨TEM

    在此次研究中，他們首次發(fā)現(xiàn)并實現(xiàn)大體積的超納雙相材料（平均成分為Mg49Cu42Y9（at.%））。此材料使用特殊的磁控濺射方法制備，結(jié)構(gòu)為~6nm 尺寸的納米晶MgCu2均勻彌散分布于非晶殼Mg69Cu11Y20中（納米晶的體積百分比為56%），如上圖高分辨TEM所示。另外，低倍TEM圖中的“干凈”晶粒顯示了其低位錯密度（quasi “dislocation free”）性質(zhì)。這一性質(zhì)對超納雙相材料強度的貢獻有至關(guān)重要的作用（見Nature網(wǎng)絡(luò)版補充材料及補充圖3對納米晶相的強度的分子動力學(xué)模擬）。

    由于這種材料具有小于10nm的非晶-納米晶雙相結(jié)構(gòu)，研究小組將這種結(jié)構(gòu)稱之為超納雙相-玻璃納米晶（supra-nano-dual-phase glass-crystal，簡稱SNDP-GC）結(jié)構(gòu)。其中，超納（supra-nano）意為組成納米材料各相的尺寸都小于10nm，玻璃意為廣義的非晶態(tài)。

    超納雙相-玻璃納米晶材料本身所具備的quasi “dislocation free”的納米晶相及弛豫的非晶相已打破了材料的尺寸效應(yīng)（見網(wǎng)絡(luò)版補充材料關(guān)于不同尺寸樣品具有基本相同強度的報道）。

    與其它鎂合金類比（下圖紅色實心圓與紅色空心圓）可以發(fā)現(xiàn)，此鎂基超納雙相-玻璃納米晶材料具有鎂合金所固有的低模量。然而，其強度卻是至今報道的最強鎂合金的好幾倍（紅色空心圓為2015年Nature報道的超強鎂合金Chen, L.-Y. et al. Nature 528, 539-543 （2015））。

    鎂基超納雙相-玻璃納米晶材料的變形機制為多重初生剪切帶的形成與納米晶粒的塑性變形，如下圖所示。這種超納雙相材料的變形機制也通過了本構(gòu)模型的理論分析和模擬得以驗證（見Nature網(wǎng)絡(luò)版補充材料及補充圖5-8）。

    這種超納雙相-玻璃納米晶材料將會提供大量的潛在應(yīng)用價值。例如，鎂合金是一種全新發(fā)展的生物可降解材料。生物可降解鎂合金可植入生物體，在病患消除后這種材料可被體液降解，從而避免了二次手術(shù)所增加的痛楚，同時鎂又是對生物體有益的元素，可促進病患的恢復(fù)。然而商用鎂合金的最大問題便是強度低，耐磨差。那么，鎂基超納雙相-玻璃納米晶材料將會成為一種新的原型材料，在具有超高強度、超高耐磨性能的生物可降解植入材料方面將得以應(yīng)用。

    超納雙相材料的制備方法證明了通過制備工藝的調(diào)整，可以得到各種以前傳統(tǒng)工藝得不到的新型組織結(jié)構(gòu)，為未來發(fā)展各種新型超納結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的特異物理及化學(xué)性能指出了一個全新的方向。

    這一成果論文昨天發(fā)表在Nature上，文章的第一作者是香港城市大學(xué)博士后吳戈，通訊作者為呂堅教授。該論文作者為：Ge Wu, Ka-Cheung Chan, Linli Zhu, Ligang Sun, Jian Lu，所有合作作者均來自香港城市大學(xué)呂堅教授組。

    城大研究團隊（前排左起：呂堅教授、吳戈博士；後排左起：朱林利博士、陳稼祥博士、孫李剛博士）

    呂堅教授簡介：

    呂堅教授目前是香港城市大學(xué)副校長，法國國家技術(shù)科學(xué)院（NATF）院士，npj Computational Materials編委。2006年他獲得了“法國國家榮譽騎士勛章”，2017年獲得了“法國國家榮譽軍團勛章”。呂堅教授的研究領(lǐng)域主要為：先進結(jié)構(gòu)材料與力學(xué)；實驗力學(xué)；殘余應(yīng)力與材料預(yù)應(yīng)力工程。

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