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任曉兵團(tuán)隊(duì)7年磨一劍，打造‘既強(qiáng)且柔’新材料，實(shí)現(xiàn)高分子材料超高柔性與超高強(qiáng)度
文章來源：賢集網(wǎng)     更新時間：2024-09-20 16:26:34
在材料科學(xué)的廣闊領(lǐng)域中，一直存在著一個極具挑戰(zhàn)性的目標(biāo)，那就是尋找一種具備 “既強(qiáng)且柔” 特性的材料。這種材料仿佛是材料科學(xué)領(lǐng)域的圣杯，吸引著眾多科學(xué)家為之奮斗。所謂 “既強(qiáng)且柔”，是指材料能夠像鋼一樣具備高強(qiáng)度，能夠承受巨大的壓力和拉力而不易變形或斷裂；同時又如同塑料一般擁有高柔韌性，可以輕松地進(jìn)行彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形操作。這種特性在許多現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場景以及對未來技術(shù)的暢想中，都有著不可或缺的重要性。



從航空航天領(lǐng)域來看，飛行器的機(jī)翼設(shè)計(jì)就是一個典型的例子。在飛行器起飛或著陸時，需要將機(jī)翼展開以獲取足夠的升力，這要求機(jī)翼材料具有良好的柔韌性；而在高速飛行時，為了減少空氣阻力，機(jī)翼又需要盡可能地收縮起來，這對材料的強(qiáng)度提出了很高的要求。就像鳥類在起飛和高速飛行時會調(diào)整翼展一樣，飛行器的機(jī)翼材料必須具備 “既強(qiáng)且柔” 的特性，因?yàn)轱w行器在數(shù)倍音速飛行時，機(jī)翼等機(jī)身突出部分承受著巨大的力量，如果材料強(qiáng)度不足，機(jī)翼很容易被撕裂，從而引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。







再看科幻作品中常常出現(xiàn)的超級機(jī)器人場景，超級機(jī)器人用拳頭打穿墻的力量來源是超強(qiáng)的人工肌肉纖維，這也需要一種結(jié)合了高強(qiáng)度與高柔韌性的材料才能實(shí)現(xiàn)。在人體器官等未來科技領(lǐng)域，同樣在呼喚這樣一種材料的出現(xiàn)。然而，在傳統(tǒng)的材料科學(xué)原理中，這種將兩種看似矛盾的特性集于一身的材料是難以想象的。例如，高強(qiáng)度鋼雖然難以被拉斷，但其柔韌性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及橡膠或塑料；而高分子塑料制品，像玩具塑料彈簧、塑料救生圈等，雖然能夠輕易產(chǎn)生較大的彈性變形，但它們的強(qiáng)度卻很低，容易發(fā)生斷裂或破裂。在已知的材料中，這種 “既強(qiáng)且柔” 的特性從未被實(shí)現(xiàn)過，它就像是存在于科幻世界中的美好夢想，一直難以照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。



1、“應(yīng)變玻璃態(tài)合金”：探索的起點(diǎn)與關(guān)鍵突破



（一）應(yīng)變玻璃態(tài)合金的發(fā)現(xiàn)



任曉兵團(tuán)隊(duì)在材料科學(xué)的探索之路上已經(jīng)跋涉了二十多年，他們的研究歷程充滿了挑戰(zhàn)與機(jī)遇。2005 年，團(tuán)隊(duì)取得了一項(xiàng)具有重要意義的成果，他們在世界上首次發(fā)現(xiàn)了一類奇特的 “應(yīng)變玻璃態(tài)合金”。這一發(fā)現(xiàn)從物理原理上帶來了新的突破，為開發(fā)具備全新性能的新材料提供了可能的方向。這種應(yīng)變玻璃態(tài)合金具有一些獨(dú)特的物理性質(zhì)，它就像一種尚未被完全發(fā)掘的寶藏，雖然在當(dāng)時還不能直接滿足 “既強(qiáng)且柔” 的目標(biāo)，但為后續(xù)的研究奠定了重要的理論基礎(chǔ)。



（二）無鉛壓電陶瓷材料的啟示



2009 年，團(tuán)隊(duì)又有了新的發(fā)現(xiàn)。他們找到了世界上首個壓電性能超越統(tǒng)治世界 50 余年的 “壓電之王” 鋯鈦酸鉛（PZT）的無鉛壓電陶瓷材料。在這個過程中，團(tuán)隊(duì)意識到其中產(chǎn)生異常壓電效應(yīng)的新物理原理，這一原理有可能被應(yīng)用于金屬材料并產(chǎn)生異常彈性特性。這一發(fā)現(xiàn)就像黑暗中的一道曙光，讓團(tuán)隊(duì)看到了將不同物理原理相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn) “既強(qiáng)且柔” 材料的可能性。



（三）應(yīng)變玻璃態(tài)合金與 “拔絲紅薯” 的類比



任曉兵為了讓團(tuán)隊(duì)成員更好地理解應(yīng)變玻璃態(tài)合金這一復(fù)雜的概念，將其比作生活中的美食 “拔絲紅薯”。他解釋道，應(yīng)變玻璃與黏稠態(tài)的糖在物理上是相似的，糖在溶化過程中并沒有明確的凝固點(diǎn)，而是在一個寬溫域下逐漸硬化，這不同于水結(jié)冰這類有固定凝固點(diǎn)的轉(zhuǎn)變。應(yīng)變玻璃合金的這種特性能夠提供寬溫域下的穩(wěn)定性能，這對于材料的實(shí)際應(yīng)用來說是非常關(guān)鍵的。然而，早期的實(shí)驗(yàn)表明，單純的應(yīng)變玻璃態(tài)并沒有超柔的特性，這意味著要實(shí)現(xiàn) “既強(qiáng)且柔” 的目標(biāo)，還需要進(jìn)一步探索新的物理原理和材料處理方法。



2、特殊工藝下的突破：“雙種子”+ 應(yīng)變玻璃態(tài)的創(chuàng)新組合



（一）基礎(chǔ)材料的選擇與初步處理



綜合團(tuán)隊(duì)前期的研究成果和發(fā)現(xiàn)，任曉兵認(rèn)為，在寬溫域下顯示 “既強(qiáng)且柔” 的材料雖然很可能出現(xiàn)在應(yīng)變玻璃這類全新的材料體系中，但不會在純的應(yīng)變玻璃狀態(tài)下出現(xiàn)，需要借助異常彈性效應(yīng)的新物理原理才能實(shí)現(xiàn)。于是，他們開始布局新材料的探索。出于對未來大規(guī)模生產(chǎn)的考慮，團(tuán)隊(duì)選擇了一種商用鎳鈦合金作為基礎(chǔ)材料，這種合金具有高強(qiáng)度的潛力，而且在市場上容易獲取。他們首先通過冷變形的方法使其呈現(xiàn)高強(qiáng)度的 “應(yīng)變玻璃” 狀態(tài)，然后開始嘗試改變各個工藝參數(shù)，密切觀察材料強(qiáng)度和柔性的變化情況。







（二）“三步熱機(jī)械處理工藝” 的創(chuàng)新



在這個過程中，團(tuán)隊(duì)成員、博士生徐治志發(fā)揮了關(guān)鍵作用。他通過一種獨(dú)特的 “三步熱機(jī)械處理工藝”，在高強(qiáng)度應(yīng)變玻璃基體上 “種入” 兩種馬氏體的 “種子”，從而形成了一種 “雙種子” + 應(yīng)變玻璃的特殊狀態(tài)。這種特殊狀態(tài)的材料呈現(xiàn)出了令人驚喜的 “既強(qiáng)且柔” 的奇異性質(zhì)。這一工藝就像是一把神奇的鑰匙，打開了通往 “既強(qiáng)且柔” 材料世界的大門。



（三）微觀機(jī)制的分析與特性探究



進(jìn)一步的微觀分析顯示，這種超柔狀態(tài)來源于特殊狀態(tài)下雙馬氏體和應(yīng)變玻璃之間的無形核相變及相對應(yīng)的異常彈性效應(yīng)。得益于應(yīng)變玻璃的 “拔絲紅薯” 漸變特性，該應(yīng)變玻璃合金 “強(qiáng)柔并濟(jì)” 的特性能夠在 - 80℃到 80℃的寬溫域內(nèi)保持，同時該合金在大應(yīng)變下仍具有出色的抗疲勞特性。對于變形飛行器及機(jī)器人等需要在寬溫域下工作且需經(jīng)歷反復(fù)大變形的應(yīng)用而言，這些特性是至關(guān)重要的。而且，任曉兵認(rèn)為，這次發(fā)現(xiàn)的金屬合金還有其他幾個顯著的優(yōu)點(diǎn)。其一，基礎(chǔ)合金非常普遍，這意味著原材料的獲取成本較低且來源廣泛；其二，技術(shù)工藝對于工廠來說并不復(fù)雜，不需要過高的技術(shù)門檻和特殊設(shè)備，這有利于在工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行大規(guī)模推廣；其三，這種材料適合大規(guī)模量產(chǎn)，這為其在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。



3、意外驚喜背后：團(tuán)隊(duì)協(xié)作與持續(xù)探索的力量



說到這個金屬合金的發(fā)現(xiàn)過程，任曉兵將其形容為一場 “意外的驚喜”。在初期探索中，論文第一作者徐治志將高強(qiáng)度鎳鈦合金的彈性模量做到了低至 30GPa。在任曉兵看來，這屬于在這類材料固有特性范圍內(nèi)的 “常規(guī)動作”，之前也有類似的報(bào)道，所以并沒有太多的突破之處。但是，任曉兵并沒有將自己的想法告訴徐治志，他擔(dān)心這樣會打擊學(xué)生的積極性。在科學(xué)研究中，經(jīng)驗(yàn)不足的年輕人往往憑借著一股沖勁，可能會有一些意想不到的發(fā)現(xiàn)。



在任曉兵的刻意 “隱瞞” 下，徐治志繼續(xù)按照自己的方法進(jìn)行進(jìn)一步的探索實(shí)驗(yàn)。直到有一天，徐治志把彈性模量做到了 15GPa，這一結(jié)果讓任曉兵大為震驚，他意識到這一定是有全新的機(jī)制出現(xiàn)了。在激動之余，任曉兵積極幫助學(xué)生布置新一輪的實(shí)驗(yàn)。在團(tuán)隊(duì)青年教師紀(jì)元超和馬天宇的幫助下，徐治志成功地將高強(qiáng)度材料的彈性模量首次做到了 10GPa，并闡明了該奇異性能的特殊應(yīng)變玻璃起源。



對于任曉兵團(tuán)隊(duì)來說，之前發(fā)現(xiàn)的應(yīng)變玻璃已經(jīng)提出了全新的科學(xué)原理，而此次全新金屬合金的發(fā)現(xiàn)只是其中的一項(xiàng)工作成果。在應(yīng)變玻璃這個大的研究領(lǐng)域中，還有更多的未知等待著他們?nèi)ヌ剿?，還有更多的發(fā)現(xiàn)和收獲值得期待。任曉兵形象地比喻道：“對我們來說，這就像 10 根手指，金屬合金只是其中的 1 根，還有 9 根的事情要去完成。” 這表明團(tuán)隊(duì)在應(yīng)變玻璃領(lǐng)域有著長遠(yuǎn)的規(guī)劃和持續(xù)探索的決心，他們將繼續(xù)在這個充滿潛力的領(lǐng)域深入研究，為材料科學(xué)的發(fā)展帶來更多的創(chuàng)新成果。

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