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史上最強(qiáng)鎂合金，中國專家在行動(dòng)！

2017-05-17 09:24:45 作者：本網(wǎng)整理來源：材料人分享至：

本期為大家介紹2017年5月4日的nature封面。少啰嗦，先上圖！

這是一個(gè)Mg合金薄膜的藝術(shù)照，所用設(shè)備是TEM。觀其骨骼驚奇，外亮內(nèi)暗，或有玄機(jī)。恭喜你，答對了。這個(gè)Mg合金的結(jié)構(gòu)如圖所示：

什么叫合金呢？

合金，是由兩種或兩種以上的金屬與金屬或非金屬經(jīng)一定方法所合成的具有金屬特性的物質(zhì)。一般通過熔合成均勻液體和凝固而得。

那個(gè)Y又是什么呢？

即是釔，讀三聲，是一種稀土元素。Y全名叫Yttrium，是拉丁文，它不是一枚沒有故事的女同學(xué)。1788年，瑞典軍官Karl Arrhenius在斯德哥爾摩附近的一個(gè)小鎮(zhèn)Ytterby發(fā)現(xiàn)了一種黑色礦石，外觀像瀝青。Arrhenius認(rèn)為自己發(fā)現(xiàn)了一種新礦石，將其命名為Ytterbite，并將樣品交給了一些化學(xué)家。芬蘭的Johan Gadolin發(fā)現(xiàn)其中含有一種當(dāng)時(shí)未知的金屬氧化物。Anders Gustaf Ekeberg確認(rèn)了Gadolin的發(fā)現(xiàn)，并將其命名為yttria。沿襲下去，變成了現(xiàn)在的大名Yttrium。

請問什么叫稀土元素呢？

稀土元素是指鈧、釔和全部鑭系元素。因其在地殼中含量稀少，且其氧化物之性質(zhì)與氧化鈣等土族元素相似，故而得名。

那么什么叫強(qiáng)度呢？

強(qiáng)度，指材料在外力作用下抵抗破壞（變形和斷裂）的能力。

強(qiáng)度問題十分重要，許多事故都是由于強(qiáng)度不夠造成的。泰坦尼克號遭遇冰山撞擊而斷為兩截；二戰(zhàn)時(shí)，美軍的 Liberty 貨船在低溫海域事故頻發(fā)，船體也是斷為兩截；哥倫比亞號航天飛機(jī)的失事，是因?yàn)橐恍K保溫泡沫塑料脫落后砸到了機(jī)翼上；汶川地震時(shí)，廢墟中屹立不倒的希望小學(xué)，即是強(qiáng)度足夠的功勞。

大家注意看校名，對，就是劉漢劉維那位。感興趣的請自行百度。

說起強(qiáng)度，七個(gè)隆冬就捎帶著說說硬度，看官或許對兩個(gè)概念有點(diǎn)模糊。

硬度，指材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力。硬的東西可以在軟的東西表面刻出劃痕，反之卻不行。鉆石可以在石頭表面刻出劃痕，我們就說鉆石比石頭更硬。我們平時(shí)說的軟和硬就是指的這個(gè)概念。石頭是硬的，水是軟的，蜘蛛絲也是軟的。鉆石是自然界中最硬的物質(zhì)，但是可以被錘子擊碎喔。鉆石恒久遠(yuǎn)，遠(yuǎn)離錘子會(huì)更久。其中原理，日后會(huì)專門論述。

此處放動(dòng)圖，錘子擊碎鉆石

那么問題來了，nature這個(gè)Mg合金為什么強(qiáng)度那么大呢？封面的文字告訴我們，這是一種是雙相材料，其強(qiáng)度接近理論極限。

結(jié)構(gòu)決定性能，學(xué)化學(xué)的小伙伴對此一定不陌生。

納米材料相比于傳統(tǒng)塊狀材料，往往具有意想不到的獨(dú)特性質(zhì)。金屬也不例外，通常情況下，納米金屬材料強(qiáng)度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)金屬材料。但是，隨著尺寸進(jìn)一步減小，材料會(huì)出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，這歸因于反霍爾-佩奇效應(yīng)（單相納米晶合金）和剪切帶（單相金屬玻璃）的形成，也是材料的強(qiáng)度極難達(dá)到其理想強(qiáng)度（彈性模量E的1/10或1/20）的原因。該封面文章的Mg合金強(qiáng)度高達(dá)3.3GPa，接近了彈性模量E的1/20，是一個(gè)非常了不起的成就。

霍爾-佩奇效應(yīng)由霍爾和佩奇兩個(gè)人于20世紀(jì)50年代中期提出，晶粒尺寸越小，材料強(qiáng)度越高。但是若晶粒尺寸減少到納米尺度，比如小于10nm時(shí)，會(huì)出現(xiàn)反霍爾佩奇效應(yīng)，即隨著尺寸繼續(xù)減小，材料強(qiáng)度降低。

作者的高明之處就在于將納米晶嵌入非晶納米金屬玻璃中，制得一種新型鎂基雙相納米合金材料，并將其命名為超納米雙相玻璃－晶體結(jié)構(gòu)。

那么這種結(jié)構(gòu)的材料因何強(qiáng)度如此之高呢？作者給出的解釋是：晶態(tài)相由約6納米直徑且?guī)缀鯚o位錯(cuò)的晶粒構(gòu)成，在發(fā)生應(yīng)變時(shí)阻止了局域剪切帶的傳播；另外，當(dāng)剪切帶出現(xiàn)后，其中的納米晶發(fā)生分裂變形和旋轉(zhuǎn)，從而抑制了剪切帶的軟化效應(yīng)。

如圖所示，a圖為示意圖，看得更清楚；其余幾個(gè)圖是儀器表征，仔細(xì)看會(huì)發(fā)現(xiàn)a圖吻合。深藍(lán)色為原來的納米晶，淺藍(lán)色兩瓣的為破壞后的納米晶。可見：主剪切帶所過之處，其中納米晶一分為二，且發(fā)生旋轉(zhuǎn)。主剪切帶末端產(chǎn)生輻射狀剪切帶，MgCu2納米晶捕獲主剪切帶，并產(chǎn)生兩個(gè)次級剪切帶。

值得一提的是，本文作者全部來自香港城市大學(xué)，通訊作者為香港科技大學(xué)副校長（研究及科技）呂堅(jiān)教授。

香港城市大學(xué)在QS公布的2016年世界大學(xué)排名中位居第55位，在建校未滿50年的全球50所最佳大學(xué)中排第4位。據(jù)美國US News&Report的全球大學(xué)排名，其計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程兩個(gè)專業(yè)分別排名世界第九和第十一。

年3月，盧柯院士于science發(fā)文，介紹了晶界穩(wěn)定調(diào)控納米晶強(qiáng)度的新機(jī)理。