大家好，今天我们要来聊聊一种神奇的合金——《A polymer-like ultrahigh-strength metal alloy》发表于《Nature》。在许多新兴技术中，比如变形飞机和超人型人工肌肉，都需要一种既强又灵活的金属合金。但长久以来，要实现这种“强而灵活”的合金非常困难，因为强度和灵活性之间存在难以调和的矛盾。然而，现在有一种Ti-50.8 at.% Ni应变玻璃合金，或许能为这些技术带来新的突破，让我们一起来了解一下吧。
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一、引言
未来技术如变形飞机和超强人工肌肉，需要兼具超高强度和超高灵活性的金属合金，但实现这种 “强而灵活”的合金一直具有挑战性，因为强度和灵活性之间存在不可避免的权衡。
二、现有合金的局限性
强度与灵活性的权衡：钢材强度高但刚度大，有机材料如纤维增强聚合物（FRPs）则相反，这种权衡使得同时具备高屈服强度（σy>1GPa）和低模量（E≈10GPa）的合金难以实现。
现有合金的不足：过去虽有努力，但至今仍未有合金能达到这种理想性能。例如，基于形状记忆合金（SMAs）的几种合金有1GPa级的高强度和E≈30GPa的中等低模量，常规 Mg-Sc应变玻璃合金有E≈20GPa的较低模量但强度σy≈0.3GPa，这些合金仍处于常规的灰色区域内。
三、Ti-50.8 at.% Ni DS-STG合金的独特性能
3.1 超高强度和超低模量的结合：
性能参数：该合金展示了钢一样的超高屈服强度（σy≈1.8GPa）和聚合物一样的超低杨氏模量（E≈10.5GPa），灵活性品质因数σy/E≈0.17，远高于现有结构材料。
案例对比：与典型金属合金（如淬火65Mn弹簧钢、Ti-6Al-4V ELI Ti合金、7021-T62 Al合金和AZ91D Mg合金）和有机材料（如竹子、FRP、PEEK和聚苯硫醚（PPS））相比，具有独特的优势。
3.2 类橡胶的特性：
应力-应变曲线：展示了类橡胶的J形应力-应变曲线，初始模量超低（E≈10.5GPa），可恢复应变超大（εre≈8%），在达到σy≈1.8GPa（线材样品）和σy≈1.3GPa（板材样品）的弹性极限之前，加载-卸载曲线的滞后仅约为 15%。
与其他材料对比：其8%的伪弹性应变不仅远超典型金属合金的小弹性应变（εre≈0.2-1%），也超过许多软有机结构材料（如木材、竹子、骨头、聚合物和 FRP）的可恢复应变（εre≈1-5%）。
3.3 宽温度范围的性能稳定性：
温度范围：其聚合物类超高强度行为可在193K（- 80°C）至353K（80°C）的宽温度范围内保持，覆盖了变形飞机预期经历的航空环境温度范围（- 80°C至70°C）。
性能表现：在此温度范围内，杨氏模量保持类似室温的超低水平（10-16GPa），屈服强度保持超高强度水平（1.8GPa），可恢复应变也保持在6.3%以上的高值。
3.4 优异的高应变疲劳抗性：
对比材料：与其他柔性材料如常规TiNi SMAs和工程聚合物（如PEEK和FRP）相比，具有优异的高应变（定义为最大循环应变超过1.5%）疲劳抗性。
具体表现：在约1.6%的较大应变下，该合金表现出超过5×106周期的显著无疲劳行为，满足变形机翼产生足够大的弯度形状变化（超过6%）的要求。
四、三步热机械制造过程
起始状态：起始固溶处理的Ti-50.8 at.% Ni合金在室温下处于B2母相状态（未冻结的应变玻璃状态），马氏体转变温度Ms≈250为负值，B2状态具有高弹性模量（E≈71GPa）和不完全的超弹性。
第一步处理：通过50%的拉伸伸长对B2合金进行严重变形，得到在室温下保留的变形稳定的B19'马氏体，该马氏体表现出准线性弹性行为，屈服应力约为1.3GPa，弹性模量E≈37GPa。
第二步处理：将变形稳定的B19'马氏体合金在573K下退火10分钟，样品成为具有平均B2结构的独特双交叉应变玻璃（DC-STG），在室温下是未冻结的R应变玻璃（R-STG），在Tg≈251K左右经历应变玻璃转变，并能在较低温度下交叉转变为R和B19'双马氏体。DC-STG状态本身不是低模量状态，具有非线性和滞后的超弹性行为，初始弹性模量约为 33GPa，屈服强度约为1GPa。
第三步处理：对DC-STG合金进行约12%的适度拉伸伸长，在室温DC-STG矩阵中引入少量对齐的R和B19'马氏体双种子（50-100nm大小），形成 “双种子应变玻璃”（DS- STG），该状态赋予合金类聚合物的超低模量（E≈10.5GPa）、类橡胶的 J 形超大可恢复应变（εre≈8%）和窄滞后（约15%）。
五、聚合物类超高强度的起源
原位拉伸XRD实验表明，DS-STG合金在高达1.3GPa的应力加载-卸载循环中，在STG 和R与B19'马氏体之间经历了独特的无核可逆转变。在加载前，DS-STG表现为嵌入少量对齐的R和B19'马氏体种子的DC-STG矩阵，随着应力增加，R和B19'马氏体峰无需临界应力即可平滑增长，整个样品在σ=1.3GPa时几乎完全转变为B19'马氏体。在卸载时，从B19' 到R和B19'的混合物，再到原始DS-STG状态发生平滑的反向转变。这种可逆转变导致了聚合物类的超低弹性模量（E≈10.5GPa）、J形和窄滞后特征的应力-应变曲线，以及8%的大可恢复应变。
六、结论
通过简单的三步热机械处理路线制备的这种类聚合物超高强度金属合金克服了长期存在的强度-灵活性权衡，其超低弹性模量源于独特的DS-STG状态，超高强度源于变形强化。这种合金可能为变形航空航天器、超人型人形机器人和人工器官等新兴技术的广泛应用开辟道路，可扩展的制造路线可能使其实现大规模生产。
参考文献：
Xu Z, et al. A polymer-like ultrahigh-strength metal alloy. Nature. 2024 Sep 4.