香港城市大學(xué)呂堅(jiān)教授研究組全球首次制備出了超納雙相-玻璃納米晶（Supra-nano-dual-phase glass-crystal）合金膜結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得鎂合金具備3.3GPa的超高強(qiáng)度，達(dá)到了近理論值E/20（其中，E為材料的楊氏模量）。今天，相關(guān)論文在Nature線(xiàn)上發(fā)表。
如何使材料的強(qiáng)度接近理論值一直是一個(gè)研究熱點(diǎn)，然而，其制備方法的苛刻與復(fù)雜性往往限制了其實(shí)際應(yīng)用。在材料研究領(lǐng)域，人們通常使用阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的缺陷的控制來(lái)提高強(qiáng)度。然而，這種強(qiáng)化效應(yīng)不能被無(wú)限地?cái)U(kuò)大。引入過(guò)多的缺陷會(huì)使得材料的主導(dǎo)變形機(jī)制由位錯(cuò)相關(guān)過(guò)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(qiáng)度通常位于σ =E/85區(qū)域（其中σ為強(qiáng)度，為E楊氏模量）。非晶化是另一種提高材料強(qiáng)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(cuò)等缺陷。材料非晶化后，其變形模式由位錯(cuò)活動(dòng)向剪切變形完全轉(zhuǎn)變。金屬玻璃（MG）的強(qiáng)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(guò)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(qiáng)度也不能達(dá)到理論值。
呂堅(jiān)教授研究組一直致力于MG材料及高強(qiáng)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(qiáng)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(bào)道了在原子尺度上實(shí)現(xiàn)MG雙相結(jié)構(gòu)來(lái)討論類(lèi)二十面體短程有序結(jié)構(gòu)對(duì)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(bào)道了MG原子尺度的非均勻性；并于A(yíng)dvanced Materials（Kou, H., Lu, J. & Li, Y., Adv. Mater. 26, 5518-5524 (2014)）中預(yù)見(jiàn)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(shí)，材料將會(huì)出現(xiàn)優(yōu)異的力學(xué)性能。
在此次研究中，他們首次發(fā)現(xiàn)并實(shí)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(cuò)密度（quasi “dislocation free”）性質(zhì)。這一性質(zhì)對(duì)超納雙相材料強(qiáng)度的貢獻(xiàn)有至關(guān)重要的作用（見(jiàn)Nature網(wǎng)絡(luò)版補(bǔ)充材料及補(bǔ)充圖3對(duì)納米晶相的強(qiáng)度的分子動(dòng)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(chēng)之為超納雙相-玻璃納米晶（supra-nano-dual-phase glass-crystal，簡(jiǎn)稱(chēng)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(jiàn)網(wǎng)絡(luò)版補(bǔ)充材料關(guān)于不同尺寸樣品具有基本相同強(qiáng)度的報(bào)道）。與其它鎂合金類(lèi)比（下圖紅色實(shí)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(qiáng)度卻是至今報(bào)道的最強(qiáng)鎂合金的好幾倍（紅色空心圓為2015年Nature報(bào)道的超強(qiáng)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(jī)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(jī)制也通過(guò)了本構(gòu)模型的理論分析和模擬得以驗(yàn)證（見(jiàn)Nature網(wǎng)絡(luò)版補(bǔ)充材料及補(bǔ)充圖5-8）。
這種超納雙相-玻璃納米晶材料將會(huì)提供大量的潛在應(yīng)用價(jià)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(shí)鎂又是對(duì)生物體有益的元素，可促進(jìn)病患的恢復(fù)。然而商用鎂合金的最大問(wèn)題便是強(qiáng)度低，耐磨差。那么，鎂基超納雙相-玻璃納米晶材料將會(huì)成為一種新的原型材料，在具有超高強(qiáng)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(guò)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(lái)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(gè)全新的方向。
這一成果論文今天發(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(jiān)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(lái)自香港城市大學(xué)呂堅(jiān)教授組。
呂堅(jiān)教授簡(jiǎn)介：
呂堅(jiān)教授目前是香港城市大學(xué)副校長(zhǎng)，法國(guó)國(guó)家技術(shù)科學(xué)院（NATF）院士，npj Computational Materials編委。2006年他獲得了“法國(guó)國(guó)家榮譽(yù)騎士勛章”，2017年獲得了“法國(guó)國(guó)家榮譽(yù)軍團(tuán)勛章”。呂堅(jiān)教授的研究領(lǐng)域主要為：先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料與力學(xué)；實(shí)驗(yàn)力學(xué)；殘余應(yīng)力與材料預(yù)應(yīng)力工程。
Nature論文鏈接：http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature21691.html
論文題目：Dual-phase nanostructuring as a route to high-strength magnesium alloys