城大研究开发出强度和延展性双高的新型金属玻璃

香港城市大学（城大）最近成功开发出一种新型的多主元金属玻璃 (multi-principal element metallic glass)，突破了拉伸延展性的极限。这种新颖的金属玻璃在拉伸过程中不仅具有较传统金属玻璃的两倍延展性，而且其强度更提高一倍。这种非凡的性能受益于金属玻璃在变形过程中的独特结构演变，它能让金属玻璃在拉伸时变硬而不是变软，从而显著增强了抗断裂的能力。是次研究发现为设计和制造高强高韧的金属玻璃提供了一个有前景的途径。

带领这次研究的香港城市大学机械工程学系杨勇教授指出：「在过去的一个世纪里，金属玻璃由于其独特的性能，如高弹性变形和高强度，已被广泛应用于几乎所有的工业领域，包括商业产品和微纳制造。」他续说：「然而，由于变形过程中的软化行为，特别是在拉伸条件下，传统金属玻璃在室温下表现出明显的脆性断裂。这是一个长期存在且极待解决的问题，它严重阻碍了金属玻璃更广泛的应用。」

他补充，通过剪切过程中，原子的快速重排成功将软化行为扭转为硬化行为。这种独特的机制使金属玻璃突破了拉伸塑性的极限。通过克服室温下的拉伸塑性，这个研究为提高金属玻璃的塑性提供了一个行之有效的方案，将有可能彻底改变上述现状。

这项研究的关键在于金属玻璃在变形过程中的行为。钴的快速扩散和非均匀分布促进了原子重排，这中断了惯常的变软过程，并产生硬化。相比之下，传统的金属玻璃通常面临着原子重排导致的体积收缩和变形，引起膨胀之间的冲突从而导致裂纹和断裂。然而，研究团队开发的新型多主元金属玻璃通过重排实现了变形诱导的膨胀，成功避免了裂纹的产成。

此外，这项研究最具挑战性的部分是克服金属玻璃的无序结构，该结构缺乏晶体在变形过程中用于硬化的缺陷。研究团队通过促进原子重排来抵消软化。然而，伴随而来的另一个问题就是由拉伸引起的体积膨胀和重排引起的体积收缩之间的冲突。

通过克服长期存在的室温拉伸脆性问题，金属玻璃有望在不同的应用领域上取代传统合金，包括建筑的骨架和重型机械。此外，这些发现也为缓解其他类型的玻璃，如氧化物玻璃的脆性提供了一个有切实可行的方向。展望未来，研究团队的目标是基于这项工作开发一系列更高强度及更具延展性的金属玻璃。同时，他们计划将这些研究发现与后处理技术互相结合，以进一步提高金属玻璃的延展性。

上述研究成果已发表在《美国国家科学院院刊 》(PNAS) 上，论文标题为“Intrinsic tensile ductility in strain hardening multiprincipal element metallic glass”。

论文的第一作者是城大张智博先生和张珊博士，他们分别是杨勇教授的博士生和博士后。通讯作者包括杨教授和北京计算科学研究中心的管鹏飞教授。上述研究获得香港研究资助局的优配研究金及国家自然科学基金委员会的资助。

如有查询，欢迎联络城大机械工程学系杨勇教授 （电邮：yonyang@cityu.edu.hk）。