一、【导读】
抗变形材料通常在断裂时会发生灾难性失效，而在断裂过程中吸收能量的材料则通常在相对较低的应力水平下发生变形。金属和陶瓷截然不同的力学性能特征体现了这一基本矛盾，前者具有出色的损伤容限但强度适中，而后者则以牺牲断裂韧性为代价，实现了卓越的强度和热稳定性。这种强度与韧性之间的对立关系，对航空航天、国防和能源领域中的先进应用材料选择施加了若干限制，这些应用对高承载能力、抗断裂性能和高温力学完整性的同时要求至关重要。因此，开发能够超越这种经典权衡关系的材料，是当代材料科学的首要目标。块体金属玻璃因其独特的非晶原子结构而成为应对这一挑战的有力候选材料，该结构使其能够实现接近理论极限的强度，同时保持优异的弹性和卓越的韧性。这些独特特性使块体金属玻璃有望成为超越传统晶态材料性能局限的颠覆者。然而，尽管经过了广泛的研究努力，块体金属玻璃的全部潜力仍受到持续存在的限制。大多数现有块体金属玻璃在关键性能指标上存在不足，在极端环境中表现出强度不足、热稳定性不够或玻璃形成能力有限，这使得设计先进的块体金属玻璃成分成为当务之急。
二、【成果掠影】
在此，燕山大学刘日平院士，王利明，刘迎丹教授和冯士东教授等人（共同通讯作者）等人报道了一类Re–Co–Ta–B系块体金属玻璃，它克服了这一基本限制，实现了约6.43 GPa的卓越断裂强度，同时保持了约30 MPa·m1/2的断裂韧性。这一强度值超过了先前报道的金属玻璃和晶态金属，接近先进陶瓷的强度，同时在韧性方面远超它们。这些合金表现出显著的抗热软化和耐恶劣环境能力，在900 K下仍能保持4.4 GPa的强度，且氧化和腐蚀可忽略不计。同步辐射测量和像差校正显微镜揭示了这些性能的起源：一种独特的非晶结构，它从Re7B3金属间化合物相继承了高度的类晶态短程有序性。第一性原理计算表明，这种原子骨架通过嵌入在金属基体中的定向Re–B共价键得到增强，从而在陶瓷键合和金属键合之间架起了桥梁。这项工作表明，结构遗传性可作为指导原则，用于设计具有前所未有性能组合的下一代非晶材料。
相关研究成果以“Ceramic-like strength and metallic toughness in a bulk metallic glass”为题发表在Nature上。
三、【核心创新点】
1.本文通过引入一种由熔化熵驱动的热力学驱动设计模型，利用低熔化熵相的结构遗传性原则，将混合热力学与组成元素的内在电子特性相结合，以选择性地稳定刚性短程有序构型。
2.发现了一类新型的Re-Co-Ta-B块体金属玻璃，其实现了约6.43 GPa的类陶瓷断裂强度，同时保持了约30 MPa·m1/2的类金属断裂韧性。这一结果彻底打破了既定的材料性能界限。
四、【数据概览】
图1 强度-韧性曲线© 2026 Springer Nature
图2 Re26.9Co44.1Ta6.9B22.1BMG（Re1）的高温性能©2026 Springer Nature
图3 Re26.9Co44.1Ta6.9B22.1BMGBMG（Re1）的原子结构分析©2026 Springer Nature
图4 Re26.9Co44.1Ta6.9B22.1BMGBMG（Re1）的结合特性及电子分析©2026 Springer Nature
五、【成果启示】
总的来看，本文开发了一类新型的Re基块体金属玻璃，成功超越了传统金属和陶瓷固有的经典强度-韧性模型。这些材料展现出开创性的性能组合：兼具类陶瓷的强度、金属般的断裂韧性、高于1000 K的高热稳定性以及优异的耐环境性能，为极端环境结构材料确立了新的基准。从根本上讲，本文证明了这些性能源于结构遗传性，即从低熔化熵晶态前驱体继承而来的刚性短程有序构型普遍存在于非晶基体中。这项工作验证了熔化熵不仅是发现玻璃形成体的有力指导，也是调控短程有序的关键参数。这种热力学指导的设计框架为创造具有前所未有性能组合的先进非晶材料提供了一条原理性、系统性的途径，有望在最具挑战性的工程应用中变革现有能力。未来，调控刚性结构构型与柔顺金属基体之间的相互作用，为提高延展性提供了一条协同路径。
文献链接：“Ceramic-like strength and metallic toughness in a bulk metallic glass”（Nature，2024，10.1038/s41586-026-10430-w）
本文由材料人CYM编译供稿。
