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中國(guó)科學(xué)家研制的一種高強(qiáng)度鎂合金材料接近了理論上鎂基合金的強(qiáng)度極限。

在剛剛出版的《自然》雜志中，香港城市大學(xué)副校長(zhǎng)呂堅(jiān)、浙江大學(xué)朱林利副教授等中國(guó)科學(xué)家聯(lián)合發(fā)表的論文《采用雙相納米結(jié)構(gòu)制成高強(qiáng)度鎂合金材料》（Dual-phase nanostructuring as a route to high-strength magnesium alloys）成為本期雜志的封面文章。

在這篇重磅論文中，幾位中國(guó)科學(xué)家介紹了他們研制的一種高強(qiáng)度鎂合金材料——這種材料的強(qiáng)度，超過(guò)了所有已知鎂基納米材料，并接近理論上鎂基合金的強(qiáng)度極限。

在公眾看來(lái)，鎂合金似乎沒(méi)有鋁合金那樣有名。其實(shí)，小到一分錢(qián)的硬幣、手機(jī)筆記本電腦的外殼，大到飛機(jī)火箭都離不開(kāi)鎂合金材料。鎂合金材料具有重量輕、性能良好，易于加工等諸多優(yōu)勢(shì)，一直是材料學(xué)的研究熱點(diǎn)。

人們的常識(shí)中，固態(tài)金屬在常溫下是以金屬晶體的相態(tài)存在的。同種單質(zhì)金屬或合金比例不變的情況下，構(gòu)成金屬材料的微結(jié)構(gòu)（如晶粒、孿晶等）形態(tài)、比例、大小等發(fā)生變化都會(huì)顯著影響金屬材料的性質(zhì)，這就是材料學(xué)中一個(gè)被稱作金相學(xué)的獨(dú)立分支。隨著現(xiàn)代電子顯微鏡技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家和工程師們已經(jīng)能夠從微觀的角度觀察金屬晶體了。

上世紀(jì)后半葉，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)隨著構(gòu)成金屬材料的微結(jié)構(gòu)尺寸不斷減小，材料的某些性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)單個(gè)晶粒的直徑達(dá)到100納米以下時(shí)，這些現(xiàn)象變得尤其明顯，例如材料的強(qiáng)度和硬度會(huì)大幅提高，而延展性和韌性會(huì)下降。（本刊記者提示：材料的硬度和強(qiáng)度不是相同的概念，天然硬度最高的鉆石雖然非常耐磨，但在比它“軟”得多的鐵錘面前不堪一擊，所以千萬(wàn)不要在家拿婚戒試�。�

由這種納米級(jí)微結(jié)構(gòu)構(gòu)成的金屬材料被稱作納米金屬材料，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用的納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金就是其中的代表。例如，鎢-碳納米硬質(zhì)合金可以用來(lái)制造直徑不足一毫米的高強(qiáng)度鉆頭。

不為大眾所知的是，金屬材料能以勻質(zhì)的非晶體相態(tài)存在，這一點(diǎn)和玻璃的微觀結(jié)構(gòu)類似，因此此種形態(tài)下的金屬被稱為金屬玻璃。金屬玻璃具有良好的彈性和抵抗塑性形變的能力，高爾夫球桿的擊球部位就是由金屬玻璃制成的，可以在承受巨大沖擊后保持形狀不變。

過(guò)去的納米金屬材料很難達(dá)到理論上的強(qiáng)度。原因主要是在制備納米金屬晶體時(shí)存在一定的缺陷，從而導(dǎo)致整體材料強(qiáng)度不足。在相對(duì)低應(yīng)力下，這一點(diǎn)表現(xiàn)的尤其突出。雖然近年來(lái)納米金屬材料的制備工藝顯著進(jìn)步，但通過(guò)工藝改善單一相態(tài)的金屬納米材料存在極限。

呂堅(jiān)等人嘗試了另一種思路，用非晶態(tài)的金屬玻璃包裹金屬納米晶體顆粒。呂堅(jiān)等將納米級(jí)鎂－銅合金晶體嵌入了鎂－銅－釔合金的非晶態(tài)金屬外殼，制成了一種新型的鎂基雙相納米合金材料，并將此種其命名為超納米雙相玻璃－晶體結(jié)構(gòu)。

鎂基雙相納米合金的顯微結(jié)構(gòu)

這種新型納米材料是由單個(gè)不足10納米的具有“外殼”的顆粒組成，單個(gè)顆粒核心成分是鎂：銅＝2:1（原子數(shù)比例，以下同）的典型晶體組成，外殼據(jù)估算是由鎂：銅：釔＝69:11:20的典型非晶態(tài)金屬構(gòu)成。整體的合金材料可以寫(xiě)成鎂49銅46釔9的形式。通過(guò)檢測(cè)目前得到的薄層材料，可以確定這種雙相納米鎂基合金材料強(qiáng)度達(dá)到了3.3吉帕，超過(guò)了所有已知鎂基納米材料并接近了理論上鎂基合金的極限。