香港城市大学吕坚教授团队近日在材料研究取得重大突破，全球首次制备出了超纳镁合金材料。这种结构使得镁合金具备3.3GPa的超高强度，达到了近理论值E/20（其中，E为材料的杨氏模量）。这种尖端新型材料的强度比现有超强镁合金晶体材料高出十倍！变形能力较镁基金属玻璃高两倍，并可发展成为生物降解植入材料。昨天（4月5日），相关论文在Nature线上发表。
新型材料的強度較現有超強鎂合金晶體材料高出十倍
如何使材料的强度接近理论值一直是一个研究热点，然而，其制备方法的苛刻与复杂性往往限制了其实际应用。在材料研究领域，人们通常使用阻止位错运动的缺陷的控制来提高强度。然而，这种强化效应不能被无限地扩大。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。例如，纳米晶/纳米孪晶材料的的强度通常位于σ =E/85区域（其中σ为强度，为E杨氏模量）。非晶化是另一种提高材料强度的有效途径，这是由于非晶结构中不含有晶界和位错等缺陷。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（MG）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MG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。
吕坚教授研究组一直致力于MG材料及高强高韧纳米晶组织结构及其性能的研究，他们一直致力于多尺度应变非局域化高强高韧。如该组在Physical Review Letters（Wang, Q., Liu, C. T., Yang, Y., Dong, Y. & Lu, J., Phys. Rev.Lett. 106, 215505 （2011））上报道了在原子尺度上实现MG双相结构来讨论类二十面体短程有序结构对MG热稳定性的重要作用；在Nature Materials（Ye, J., Lu, J., Liu, C., Wang, Q. & Yang, Y., Nat. Mater. 9, 619-623 （2010））及 Nature Communications（Wang, Q, Zhang, ST, Yang,Y, Dong, YD, Liu, CT, Lu, J, Nat. Commun. 6 （2015））上报道了MG原子尺度的非均匀性；并于Advanced Materials（Kou, H., Lu, J. & Li, Y., Adv. Mater. 26, 5518-5524 （2014））中预见了若MG材料中两相（两非晶相或纳米晶相-非晶相）的体积比为1:1时，材料将会出现优异的力学性能。
超纳双相材料高分辨TEM
在此次研究中，他们首次发现并实现大体积的超纳双相材料（平均成分为Mg49Cu42Y9（at.%））。此材料使用特殊的磁控溅射方法制备，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%），如上图高分辨TEM所示。另外，低倍TEM图中的“干净”晶粒显示了其低位错密度（quasi “dislocation free”）性质。这一性质对超纳双相材料强度的贡献有至关重要的作用（见Nature网络版补充材料及补充图3对纳米晶相的强度的分子动力学模拟）。
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-phase glass-crystal，简称SNDP-GC）结构。其中，超纳（supra-nano）意为组成纳米材料各相的尺寸都小于10nm，玻璃意为广义的非晶态。
超纳双相-玻璃纳米晶材料本身所具备的quasi “dislocation free”的纳米晶相及弛豫的非晶相已打破了材料的尺寸效应（见网络版补充材料关于不同尺寸样品具有基本相同强度的报道）。
与其它镁合金类比（下图红色实心圆与红色空心圆）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（红色空心圆为2015年Nature报道的超强镁合金Chen, L.-Y. et al. Nature 528, 539-543 （2015））。
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，如下图所示。这种超纳双相材料的变形机制也通过了本构模型的理论分析和模拟得以验证（见Nature网络版补充材料及补充图5-8）。
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。
超纳双相材料的制备方法证明了通过制备工艺的调整，可以得到各种以前传统工艺得不到的新型组织结构，为未来发展各种新型超纳结构及其相关的特异物理及化学性能指出了一个全新的方向。
这一成果论文昨天发表在Nature上，文章的第一作者是香港城市大学博士后吴戈，通讯作者为吕坚教授。该论文作者为：Ge Wu, Ka-Cheung Chan, Linli Zhu, Ligang Sun, Jian Lu，所有合作作者均来自香港城市大学吕坚教授组。
城大研究团队（前排左起：呂堅教授、吳戈博士；後排左起：朱林利博士、陳稼祥博士、孫李剛博士）
吕坚教授简介：
吕坚教授目前是香港城市大学副校长，法国国家技术科学院（NATF）院士，npj Computational Materials编委。2006年他获得了“法国国家荣誉骑士勋章”，2017年获得了“法国国家荣誉军团勋章”。吕坚教授的研究领域主要为：先进结构材料与力学；实验力学；残余应力与材料预应力工程。
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