史上最强镁合金,中国专家在行动!


本期为大家介绍2017年5月4日的nature封面。少啰嗦,先上图!

这是一个Mg合金薄膜的艺术照,所用设备是TEM。观其骨骼惊奇,外亮内暗,或有玄机。恭喜你,答对了。这个Mg合金的结构如图所示:

什么叫合金呢?

合金,是由两种或两种以上的金属与金属或非金属经一定方法所合成的具有金属特性的物质。一般通过熔合成均匀液体和凝固而得。

那个Y又是什么呢?

Y即是钇,读三声,是一种稀土元素。Y全名叫Yttrium,是拉丁文,它不是一枚没有故事的女同学。1788年,瑞典军官Karl Arrhenius在斯德哥尔摩附近的一个小镇Ytterby发现了一种黑色矿石,外观像沥青。Arrhenius认为自己发现了一种新矿石,将其命名为Ytterbite,并将样品交给了一些化学家。芬兰的Johan Gadolin发现其中含有一种当时未知的金属氧化物。Anders Gustaf Ekeberg确认了Gadolin的发现,并将其命名为yttria。沿袭下去,变成了现在的大名Yttrium。

请问什么叫稀土元素呢?

稀土元素是指钪、钇和全部镧系元素。因其在地壳中含量稀少,且其氧化物之性质与氧化钙等土族元素相似,故而得名。

那么什么叫强度呢?

强度,指材料在外力作用下抵抗破坏(变形和断裂)的能力。

强度问题十分重要,许多事故都是由于强度不够造成的。泰坦尼克号遭遇冰山撞击而断为两截;二战时,美军的 Liberty 货船在低温海域事故频发,船体也是断为两截;哥伦比亚号航天飞机的失事,是因为一小块保温泡沫塑料脱落后砸到了机翼上;汶川地震时,废墟中屹立不倒的希望小学,即是强度足够的功劳。

大家注意看校名,对,就是刘汉刘维那位。感兴趣的请自行百度。

说起强度,七个隆冬就捎带着说说硬度,看官或许对两个概念有点模糊。

硬度,指材料局部抵抗硬物压入其表面的能力。硬的东西可以在软的东西表面刻出划痕,反之却不行。钻石可以在石头表面刻出划痕,我们就说钻石比石头更硬。我们平时说的软和硬就是指的这个概念。石头是硬的,水是软的,蜘蛛丝也是软的。钻石是自然界中最硬的物质,但是可以被锤子击碎喔。钻石恒久远,远离锤子会更久。其中原理,日后会专门论述。

此处放动图,锤子击碎钻石

那么问题来了,nature这个Mg合金为什么强度那么大呢?封面的文字告诉我们,这是一种是双相材料,其强度接近理论极限。

结构决定性能,学化学的小伙伴对此一定不陌生。

纳米材料相比于传统块状材料,往往具有意想不到的独特性质。金属也不例外,通常情况下,纳米金属材料强度远高于传统金属材料。但是,随着尺寸进一步减小,材料会出现软化现象,这归因于反霍尔-佩奇效应(单相纳米晶合金)和剪切带(单相金属玻璃)的形成,也是材料的强度极难达到其理想强度(弹性模量E的1/10或1/20)的原因。该封面文章的Mg合金强度高达3.3GPa,接近了弹性模量E的1/20,是一个非常了不起的成就。

霍尔-佩奇效应由霍尔和佩奇两个人于20世纪50年代中期提出,晶粒尺寸越小,材料强度越高。但是若晶粒尺寸减少到纳米尺度,比如小于10nm时,会出现反霍尔佩奇效应,即随着尺寸继续减小,材料强度降低。

作者的高明之处就在于将纳米晶嵌入非晶纳米金属玻璃中,制得一种新型镁基双相纳米合金材料,并将其命名为超纳米双相玻璃-晶体结构。

那么这种结构的材料因何强度如此之高呢?作者给出的解释是:晶态相由约6纳米直径且几乎无位错的晶粒构成,在发生应变时阻止了局域剪切带的传播;另外,当剪切带出现后,其中的纳米晶发生分裂变形和旋转,从而抑制了剪切带的软化效应。

如图所示,a图为示意图,看得更清楚;其余几个图是仪器表征,仔细看会发现a图吻合。深蓝色为原来的纳米晶,浅蓝色两瓣的为破坏后的纳米晶。可见:主剪切带所过之处,其中纳米晶一分为二,且发生旋转。主剪切带末端产生辐射状剪切带,MgCu2纳米晶捕获主剪切带,并产生两个次级剪切带。

值得一提的是,本文作者全部来自香港城市大学,通讯作者为香港城市大学副校长(研究及科技)吕坚教授。

香港城市大学在QS公布的2016年世界大学排名中位居第55位,在建校未满50年的全球50所最佳大学中排第4位。据美国US News&Report的全球大学排名,其计算机科学和工程两个专业分别排名世界第九和第十一。

2017年3月,卢柯院士于science发文,介绍了晶界稳定调控纳米晶强度的新机理。

身为卢柯院士的超级粉丝,改天可以梳理一下卢先生的工作。

在金属材料领域,顶刊屡现中国学者身影,足见中国学者在该领域的强劲实力,相关领域的朋友,奋斗则个。

【参考文献】

1.Wu G, Chan K C, Zhu L, et al. Dual-phase nanostructuring as a route to high-strength magnesium alloys.[J]. Nature, 2017.

2.冯端. 材料科学导论[M]. 化学工业出版社, 2002.

3.维基百科

4.大河报,最坚实的希望小学时怎样炼成的?

5.中国青年报,与刘汉一同倒掉的“最牛希望小学”

本文由材料牛特邀编辑小强提供,材料牛编辑审核。

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