纳米尺度下金属玻璃显现超级力学性能

美国研究人员开发出一种新方法，只需简单地减小尺寸，即可使一些脆性材料的韧性变得更为强劲。此项科研成果刊登在2月7日《自然—材料学》杂志的网络版上。加州理工学院材料科学与力学系博士后研究员张东婵（音译）及副教授茱莉亚·格里尔主持的该项研究，最终或将导致研发出超强度轻型耐损伤新材料。这些新材料将可用于轻型航天器的结构应用，以延长其在极端条件下的工作寿命，或可用于海军舰船以抗击腐蚀和磨损。结构材料一直不得不依赖于其加工条件，从而成为其特性的“奴隶”。譬如，陶瓷具有很大的强度，是结构性应用的理想材料。但其又重又脆，容易在应用中产生问题，也不适于支撑重物。另一方面，金属和合金则具有延展性，其虽不易碎，但又缺乏陶瓷的强度。因此，材料科学家开发出一种名为玻璃金属合金的奇异材料，其无定形且缺乏传统金属的晶体结构。这些材料也被称为金属玻璃，是由锆、钛、铜和镍等金属元素随机组织形成的。其较轻的质量是将其纳入新型设备的一大优势，而其强度又可与陶瓷媲美。不过，其随机结构又使金属玻璃变得很脆，无法承受拉伸载荷。而张东婵等开发出的新技术可克服以上障碍，方法就是将金属玻璃制作得非常之小。他们设计的工艺流程可制作出直径仅为100纳米的富锆金属玻璃柱。在此尺寸上，金属玻璃变得不再只是强劲，而且还更为坚韧，这意味着在不断裂的情况下就能对其做一定的拉伸。强度加韧性代表了其在结构应用中的一种完美组合。将纳米柱合成纳米阵列也许就能形成较大分层结构的基本模块，同时又有较小物体的强度和韧性，但到目前为止，这种新材料尚未得到直接应用。不过，该项工作已令人信服地证明了“尺寸”可被成功地用作设计参数。研究人员表示，材料科学的研究正在进入一个新纪元。结构性材料的创建，不仅可通过利用像陶瓷和金属这样的整体结构，也可经由将“架构”特性引入其中来获得。研究人员正在利用纳米尺寸的微细金属玻璃盘及具有超细纹理的延性金属来制造“砖-水泥”架构，从而制造出具有更大强度和韧性的工程复合材料。（来源：科技日报冯卫东）