納米尺度下的金屬玻璃顯現(xiàn)超級力學(xué)性能

美國研究人員開發(fā)出一種新方法，只需簡單地減小尺寸，即可使一些脆性材料的韌性變得更為強(qiáng)勁。此項(xiàng)科研成果刊登在2月7日《自然·材料學(xué)》雜志的網(wǎng)絡(luò)版上。
　　加州理工學(xué)院材料科學(xué)與力學(xué)系博士后研究員張東嬋（音譯）及副教授茱莉亞·格里爾主持的該項(xiàng)研究，最終或?qū)?dǎo)致研發(fā)出超強(qiáng)度輕型耐損傷新材料。這些新材料將可用于輕型航天器的結(jié)構(gòu)應(yīng)用，以延長其在極端條件下的工作壽命，或可用于海軍艦船以抗擊腐蝕和磨損。
　　結(jié)構(gòu)材料一直不得不依賴于其加工條件，從而成為其特性的“奴隸”。譬如，陶瓷具有很大的強(qiáng)度，是結(jié)構(gòu)性應(yīng)用的理想材料。但其又重又脆，容易在應(yīng)用中產(chǎn)生問題，也不適于支撐重物。
　　另一方面，金屬和合金則具有延展性，其雖不易碎，但又缺乏陶瓷的強(qiáng)度。因此，材料科學(xué)家開發(fā)出一種名為玻璃金屬合金的奇異材料，其無定形且缺乏傳統(tǒng)金屬的晶體結(jié)構(gòu)。這些材料也被稱為金屬玻璃，是由鋯、鈦、銅和鎳等金屬元素隨機(jī)組織形成的。其較輕的質(zhì)量是將其納入新型設(shè)備的一大優(yōu)勢，而其強(qiáng)度又可與陶瓷媲美。不過，其隨機(jī)結(jié)構(gòu)又使金屬玻璃變得很脆，無法承受拉伸載荷。
　　而張東嬋等開發(fā)出的新技術(shù)可克服以上障礙，方法就是將金屬玻璃制作得非常之小。他們設(shè)計(jì)的工藝流程可制作出直徑僅為100納米的富鋯金屬玻璃柱。在此尺寸上，金屬玻璃變得不再只是強(qiáng)勁，而且還更為堅(jiān)韌，這意味著在不斷裂的情況下就能對其做一定的拉伸。強(qiáng)度加韌性代表了其在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的一種完美組合。
　　將納米柱合成納米陣列也許就能形成較大分層結(jié)構(gòu)的基本模塊，同時又有較小物體的強(qiáng)度和韌性，但到目前為止，這種新材料尚未得到直接應(yīng)用。不過，該項(xiàng)工作已令人信服地證明了“尺寸”可被成功地用作設(shè)計(jì)參數(shù)。
　　研究人員表示，材料科學(xué)的研究正在進(jìn)入一個新紀(jì)元。結(jié)構(gòu)性材料的創(chuàng)建，不僅可通過利用像陶瓷和金屬這樣的整體結(jié)構(gòu)，也可經(jīng)由將“架構(gòu)”特性引入其中來獲得。研究人員正在利用納米尺寸的微細(xì)金屬玻璃盤及具有超細(xì)紋理的延性金屬來制造“磚-水泥”架構(gòu)，從而制造出具有更大強(qiáng)度和韌性的工程復(fù)合材料。