一月新闻排行

航空航天学院副教授朱林利等中国科学家联合发表的论文登上Nature封面

发布时间:2017-05-05来源:航空航天学院作者:浏览次数:398

    航空航天学院朱林利副教授与香港城市大学吕坚教授(浙江大学客座教授)课题组成员在超强金属材料方面取得重大突破。由香港城市大学吕坚教授领导的研究团队,首次制备出了超纳双相-玻璃纳米晶(Supra-nano-dual-phase glass-crystal)镁合金膜结构,其强度达到3.3 GPa(接近理论值E/20,E为材料的杨氏模量)。这一成果在5月4日顶级国际期刊Nature上作为封面文章发表 (GeWu, Ka-Cheung Chan, Linli Zhu, Ligang Sun and Jian Lu*,Dual-phase nanostructuring as a route to high-strength magnesium alloys, Nature545, 80-83, 2017.)

  

2017年5月4日Nature封面


在材料研究领域,如何使材料的强度接近理论值一直是一个研究热点。人们通常使用阻止位错运动的缺陷的控制来提高强度,但此强化效应存在一定上限。这是由于引入过多的缺陷会使得材料的主导变形机制由位错相关过程向缺陷软化行为转变。

由于非晶结构中不含有晶界和位错等缺陷,非晶化提供了另一种提高材料强度的有效途径,材料非晶化后,其变形模式由位错活动向剪切变形完全转变。金属玻璃的强度位于σ =E/50区域,通常高于其晶体形态。然而,由于在形变过程中的剪切应力集中所导致的剪切带的软化效应使得金属玻璃所能承受的最大应力只能被限制在2%的应变处。因此,非晶材料的强度也不能达到理论值。

  

镁基超纳双相-玻璃纳米晶结构的高分辨TEMHRTEM)与

镁基超纳双相-玻璃纳米晶的力学性能


在此次研究中,香港城市大学的吴戈博士和陳稼祥博士首次通过磁控溅射方法制备出大体积的超纳双相材料。此材料的结构为~6nm尺寸的纳米晶MgCu2均匀弥散分布于非晶壳Mg69Cu11Y20中(纳米晶的体积百分比为56%),如图1所示。由于这种材料具有小于10nm的非晶-纳米晶双相结构,研究小组将这种结构称之为超纳双相-玻璃纳米晶(supra-nano-dual-phaseglass-crystal简称SNDP-GC)结构。其中,超纳(supra-nano)意为尺寸小于10nm,玻璃意为广义的非晶态。使用于扫描电子显微镜(SEM)中原位压缩微米柱,得到此材料的强度为3.3GPa,模量为65 GPa(模量数值与纳米压痕测试结果吻合)。如图1b)所示,此超纳双相材料显示出了异常的类弹性变形能力,其类弹性极限已达到了MG的弹性极限理论值~4.5%。与其它镁合金类比可以发现,此镁基超纳双相-玻璃纳米晶材料具有镁合金所固有的低模量。然而,其强度却是至今报道的最强镁合金的好几倍。

实验研究发现,镁基超纳双相-玻璃纳米晶材料的变形机制为多重初生剪切带的形成与纳米晶粒的塑性变形。基于这一变形机理,我院副教授朱林利博士采用细化力学方法建立了超纳双相材料的本构模型,并提出了形成多重剪切带的理论判据。该理论分析成功地定量描述了双相-玻璃纳米晶材料的力学性能和剪切带数量与样品直径之间的定量关系,如图2所示。(见Nature网络版补充材料及补充图5-8)。

  

镁基超纳双相-玻璃纳米晶结构的本构行为以及剪切带数量与样品尺寸和发生剪切时的应变之间的关系


这种超纳双相-玻璃纳米晶材料将会提供大量的潜在应用价值。例如,镁合金是一种全新发展的生物可降解材料。生物可降解镁合金可植入生物体,在病患消除后这种材料可被体液降解,从而避免了二次手术所增加的痛楚,同时镁又是对生物体有益的元素,可促进病患的恢复。然而商用镁合金的最大问题便是强度低,耐磨差。那么,镁基超纳双相-玻璃纳米晶材料将会成为一种新的原型材料,在具有超高强度、超高耐磨性能的生物可降解植入材料方面将得以应用。该研究小组在近期的研究中更将超纳双相-玻璃纳米晶结构拓展至完全生物兼容的Mg-Zn-Ca体系,对其在人体植入方面的应用将有巨大潜力。另外,近理想强度与超高弹性极限的特性也使超纳双相-玻璃纳米晶成为一种非常具有前景的材料在柔性微机电系统(flexibleMEMS)中得以应用。再者,这种超纳双相-玻璃纳米晶材料也可沉积至3D打印结构表面,使其耐磨及变形特性有显著的提升。