中國團隊研制出最強鎂合金材料 登上nature封面
中國科學家研制的一種高強度鎂合金材料接近了理論上鎂基合金的強度極限。
在剛剛出版的《自然》雜志中，香港城市大學副校長呂堅、浙江大學朱林利副教授等中國科學家聯合發表的論文《采用雙相納米結構制成高強度鎂合金材料》（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，幾位中國科學家介紹了他們研制的一種高強度鎂合金材料——這種材料的強度，超過了所有已知鎂基納米材料，并接近理論上鎂基合金的強度極限。
在公眾看來，鎂合金似乎沒有鋁合金那樣有名。其實，小到一分錢的硬幣、手機筆記本電腦的外殼，大到飛機火箭都離不開鎂合金材料。鎂合金材料具有重量輕、性能良好，易于加工等諸多優勢，一直是材料學的研究熱點。
人們的常識中，固態金屬在常溫下是以金屬晶體的相態存在的。同種單質金屬或合金比例不變的情況下，構成金屬材料的微結構（如晶粒、孿晶等）形態、比例、大小等發生變化都會顯著影響金屬材料的性質，這就是材料學中一個被稱作金相學的獨立分支。隨著現代電子顯微鏡技術的發展，科學家和工程師們已經能夠從微觀的角度觀察金屬晶體了。
上世紀后半葉，科學家們發現隨著構成金屬材料的微結構尺寸不斷減小，材料的某些性質會發生變化。當單個晶粒的直徑達到100納米以下時，這些現象變得尤其明顯，例如材料的強度和硬度會大幅提高，而延展性和韌性會下降。（本刊記者提示：材料的硬度和強度不是相同的概念，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，所以千萬不要在家拿婚戒試！）
由這種納米級微結構構成的金屬材料被稱作納米金屬材料，目前已經廣泛應用的納米結構硬質合金就是其中的代表。例如，鎢-碳納米硬質合金可以用來制造直徑不足一毫米的高強度鉆頭。
不為大眾所知的是，金屬材料能以勻質的非晶體相態存在，這一點和玻璃的微觀結構類似，因此此種形態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。
過去的納米金屬材料很難達到理論上的強度。原因主要是在制備納米金屬晶體時存在一定的缺陷，從而導致整體材料強度不足。在相對低應力下，這一點表現的尤其突出。雖然近年來納米金屬材料的制備工藝顯著進步，但通過工藝改善單一相態的金屬納米材料存在極限。
呂堅等人嘗試了另一種思路，用非晶態的金屬玻璃包裹金屬納米晶體顆粒。呂堅等將納米級鎂－銅合金晶體嵌入了鎂－銅－釔合金的非晶態金屬外殼，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－晶體結構。
鎂基雙相納米合金的顯微結構
這種新型納米材料是由單個不足10納米的具有“外殼”的顆粒組成，單個顆粒核心成分是鎂：銅＝2:1（原子數比例，以下同）的典型晶體組成，外殼據估算是由鎂：銅：釔＝69:11:20的典型非晶態金屬構成。整體的合金材料可以寫成鎂49銅46釔9的形式。通過檢測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度達到了3.3吉帕，超過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。
今天上午，《環球科學》記者第一時間連線nature封面文章作者之一、浙江大學的朱林利副教授，請他介紹了關于這項研究的更多信息。
《環球科學》: 傳統的納米材料有什么缺陷？你們研發的新材料解決了這些問題了嗎？
朱林利: 一般而言，納米結構金屬材料如納米晶材料相比較于傳統金屬材料具有超高強度的力學特性。但是，隨著晶粒尺寸的進一步減小，如晶粒尺寸小于10納米，材料的強度會出現軟化現象，即材料強度不再隨著晶粒尺寸的減小而增強（反Hall-Petch關系），使得材料的強度無法達到理想強度（彈性模量E的十分之一或二十分之一）。在我們研發的雙相鎂合金中，晶粒尺寸和非晶區域的厚度均小于10納米，材料的強度接近鎂基非晶的理想強度E/20。
《環球科學》: 為什么選擇鎂－銅合金材料作為研究對象？
朱林利: 這是因為鎂基合金在工業和生物醫學領域均存在大量的潛在應用。比如，我們此次選擇鎂基合金是想提高它在醫學臨床應用中的力學特性如降低摩擦系數等（編者注：鎂是人體必須的金屬元素，體內組織或血液中含量很高，因此鎂制的醫療器械植入人體后不會產生毒副作用）。
《環球科學》: 文章中描述的超納米材料有什么應用前景？
朱林利: 由于雙相超納材料的兩相幾何尺寸均小于10納米，我們相信這種新型結構的納米材料將會表現出非常不同的力學和物理學性能。目前，針對超納金屬材料，將會在超高強度輕質結構的工業應用中存在巨大潛力，比如用于制作航空航天和自動化領域的高強度、輕量化零件。
《環球科學》: 實驗中制備的超納米雙相材料，是否適合工業化生產？成本如何？
朱林利: 我們采用磁控濺射方法有制備出超納雙相鎂合金直徑約為10cm的圓形薄膜。磁控濺射的方法本身已經非常成熟，而且可以應用于大規模材料制備，因此成本并不高。同時，我們正在通過研發其他制備方法，提高制備超納雙相材料的效率。
論文鏈接：
Dual-phase nanostructuring as a route to high-strength magnesium alloys
DOI: 10.1038/nature21691
