城大研究開發出強度和延展性雙高的新型金屬玻璃

香港城市大學（城大）最近成功開發出一種新型的多主元金屬玻璃 (multi-principal element metallic glass)，突破了拉伸延展性的極限。這種新穎的金屬玻璃在拉伸過程中不僅具有較傳統金屬玻璃的兩倍延展性，而且其強度更提高一倍。這種非凡的性能受益於金屬玻璃在變形過程中的獨特結構演變，它能讓金屬玻璃在拉伸時變硬而不是變軟，從而顯著增強了抗斷裂的能力。是次研究發現為設計和製造高強高韌的金屬玻璃提供了一個有前景的途徑。 

帶領這次研究的香港城市大學機械工程學系楊勇教授指出：「在過去的一個世紀裡，金屬玻璃由於其獨特的性能，如高彈性變形和高強度，已被廣泛應用於幾乎所有的工業領域，包括商業產品和微納製造。」他續說：「然而，由於變形過程中的軟化行為，特別是在拉伸條件下，傳統金屬玻璃在室溫下表現出明顯的脆性斷裂。這是一個長期存在且極待解決的問題，它嚴重阻礙了金屬玻璃更廣泛的應用。」

他補充，通過剪切過程中，原子的快速重排成功將軟化行為扭轉為硬化行為。這種獨特的機制使金屬玻璃突破了拉伸塑性的極限。通過克服室溫下的拉伸塑性，這個研究為提高金屬玻璃的塑性提供了一個行之有效的方案，將有可能徹底改變上述現狀。

這項研究的關鍵在於金屬玻璃在變形過程中的行為。鈷的快速擴散和非均勻分佈促進了原子重排，這中斷了慣常的變軟過程，並產生硬化。相比之下，傳統的金屬玻璃通常面臨著原子重排導致的體積收縮和變形，引起膨脹之間的衝突從而導致裂紋和斷裂。然而，研究團隊開發的新型多主元金屬玻璃通過重排實現了變形誘導的膨脹，成功避免了裂紋的產成。

此外，這項研究最具挑戰性的部分是克服金屬玻璃的無序結構，該結構缺乏晶體在變形過程中用於硬化的缺陷。研究團隊通過促進原子重排來抵消軟化。然而，伴隨而來的另一個問題就是由拉伸引起的體積膨脹和重排引起的體積收縮之間的衝突。

通過克服長期存在的室溫拉伸脆性問題，金屬玻璃有望在不同的應用領域上取代傳統合金，包括建築的骨架和重型機械。此外，這些發現也為緩解其他類型的玻璃，如氧化物玻璃的脆性提供了一個有切實可行的方向。

展望未來，研究團隊的目標是基於這項工作開發一系列更高強度及更具延展性的金屬玻璃。同時，他們計劃將這些研究發現與後處理技術互相結合，以進一步提高金屬玻璃的延展性。

上述研究成果已發表在《美國國家科學院院刊 》(PNAS) 上，論文標題為“Intrinsic tensile ductility in strain hardening multiprincipal element metallic glass”。

論文的第一作者是城大張智博先生和張珊博士，他們分別是楊勇教授的博士生和博士後。通訊作者包括楊教授和北京計算科學研究中心的管鵬飛教授。上述研究獲得香港研究資助局的優配研究金及國家自然科學基金委員會的資助。

如有查詢，歡迎聯絡城大機械工程學系楊勇教授 （電郵：yonyang@cityu.edu.hk）。