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任曉兵團隊7年磨一劍，打造‘既強且柔’新材料，實現高分子材料超高柔性與超高強度

文章來源：賢集網更新時間：2024-09-20 16:26:34

在材料科學的廣闊領域中，一直存在著一個極具挑戰性的目標，那就是尋找一種具備 “既強且柔” 特性的材料。這種材料仿佛是材料科學領域的圣杯，吸引著眾多科學家為之奮斗。所謂 “既強且柔”，是指材料能夠像鋼一樣具備高強度，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，可以輕松地進行彎曲、扭轉等變形操作。這種特性在許多現實應用場景以及對未來技術的暢想中，都有著不可或缺的重要性。

從航空航天領域來看，飛行器的機翼設計就是一個典型的例子。在飛行器起飛或著陸時，需要將機翼展開以獲取足夠的升力，這要求機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，機翼又需要盡可能地收縮起來，這對材料的強度提出了很高的要求。就像鳥類在起飛和高速飛行時會調整翼展一樣，飛行器的機翼材料必須具備 “既強且柔” 的特性，因為飛行器在數倍音速飛行時，機翼等機身突出部分承受著巨大的力量，如果材料強度不足，機翼很容易被撕裂，從而引發嚴重的安全事故。

再看科幻作品中常常出現的超級機器人場景，超級機器人用拳頭打穿墻的力量來源是超強的人工肌肉纖維，這也需要一種結合了高強度與高柔韌性的材料才能實現。在人體器官等未來科技領域，同樣在呼喚這樣一種材料的出現。然而，在傳統的材料科學原理中，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，高強度鋼雖然難以被拉斷，但其柔韌性遠遠不及橡膠或塑料；而高分子塑料制品，像玩具塑料彈簧、塑料救生圈等，雖然能夠輕易產生較大的彈性變形，但它們的強度卻很低，容易發生斷裂或破裂。在已知的材料中，這種 “既強且柔” 的特性從未被實現過，它就像是存在于科幻世界中的美好夢想，一直難以照進現實。

1、“應變玻璃態合金”：探索的起點與關鍵突破

（一）應變玻璃態合金的發現

任曉兵團隊在材料科學的探索之路上已經跋涉了二十多年，他們的研究歷程充滿了挑戰與機遇。2005 年，團隊取得了一項具有重要意義的成果，他們在世界上首次發現了一類奇特的 “應變玻璃態合金”。這一發現從物理原理上帶來了新的突破，為開發具備全新性能的新材料提供了可能的方向。這種應變玻璃態合金具有一些獨特的物理性質，它就像一種尚未被完全發掘的寶藏，雖然在當時還不能直接滿足 “既強且柔” 的目標，但為后續的研究奠定了重要的理論基礎。

（二）無鉛壓電陶瓷材料的啟示

2009 年，團隊又有了新的發現。他們找到了世界上首個壓電性能超越統治世界 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，團隊意識到其中產生異常壓電效應的新物理原理，這一原理有可能被應用于金屬材料并產生異常彈性特性。這一發現就像黑暗中的一道曙光，讓團隊看到了將不同物理原理相結合，從而實現 “既強且柔” 材料的可能性。

（三）應變玻璃態合金與 “拔絲紅薯” 的類比

任曉兵為了讓團隊成員更好地理解應變玻璃態合金這一復雜的概念，將其比作生活中的美食 “拔絲紅薯”。他解釋道，應變玻璃與黏稠態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，而是在一個寬溫域下逐漸硬化，這不同于水結冰這類有固定凝固點的轉變。應變玻璃合金的這種特性能夠提供寬溫域下的穩定性能，這對于材料的實際應用來說是非常關鍵的。然而，早期的實驗表明，單純的應變玻璃態并沒有超柔的特性，這意味著要實現 “既強且柔” 的目標，還需要進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”+ 應變玻璃態的創新組合

（一）基礎材料的選擇與初步處理

綜合團隊前期的研究成果和發現，任曉兵認為，在寬溫域下顯示 “既強且柔” 的材料雖然很可能出現在應變玻璃這類全新的材料體系中，但不會在純的應變玻璃狀態下出現，需要借助異常彈性效應的新物理原理才能實現。于是，他們開始布局新材料的探索。出于對未來大規模生產的考慮，團隊選擇了一種商用鎳鈦合金作為基礎材料，這種合金具有高強度的潛力，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高強度的 “應變玻璃” 狀態，然后開始嘗試改變各個工藝參數，密切觀察材料強度和柔性的變化情況。

（二）“三步熱機械處理工藝” 的創新

在這個過程中，團隊成員、博士生徐治志發揮了關鍵作用。他通過一種獨特的 “三步熱機械處理工藝”，在高強度應變玻璃基體上 “種入” 兩種馬氏體的 “種子”，從而形成了一種 “雙種子” + 應變玻璃的特殊狀態。這種特殊狀態的材料呈現出了令人驚喜的 “既強且柔” 的奇異性質。這一工藝就像是一把神奇的鑰匙，打開了通往 “既強且柔” 材料世界的大門。

（三）微觀機制的分析與特性探究

進一步的微觀分析顯示，這種超柔狀態來源于特殊狀態下雙馬氏體和應變玻璃之間的無形核相變及相對應的異常彈性效應。得益于應變玻璃的 “拔絲紅薯” 漸變特性，該應變玻璃合金 “強柔并濟” 的特性能夠在 - 80℃到 80℃的寬溫域內保持，同時該合金在大應變下仍具有出色的抗疲勞特性。對于變形飛行器及機器人等需要在寬溫域下工作且需經歷反復大變形的應用而言，這些特性是至關重要的。而且，任曉兵認為，這次發現的金屬合金還有其他幾個顯著的優點。其一，基礎合金非常普遍，這意味著原材料的獲取成本較低且來源廣泛；其二，技術工藝對于工廠來說并不復雜，不需要過高的技術門檻和特殊設備，這有利于在工業生產中進行大規模推廣；其三，這種材料適合大規模量產，這為其在各個領域的廣泛應用提供了堅實的基礎。

3、意外驚喜背后：團隊協作與持續探索的力量

說到這個金屬合金的發現過程，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的 “常規動作”，之前也有類似的報道，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，他擔心這樣會打擊學生的積極性。在科學研究中，經驗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現。

在任曉兵的刻意 “隱瞞” 下，徐治志繼續按照自己的方法進行進一步的探索實驗。直到有一天，徐治志把彈性模量做到了 15GPa，這一結果讓任曉兵大為震驚，他意識到這一定是有全新的機制出現了。在激動之余，任曉兵積極幫助學生布置新一輪的實驗。在團隊青年教師紀元超和馬天宇的幫助下，徐治志成功地將高強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變玻璃起源。

對于任曉兵團隊來說，之前發現的應變玻璃已經提出了全新的科學原理，而此次全新金屬合金的發現只是其中的一項工作成果。在應變玻璃這個大的研究領域中，還有更多的未知等待著他們去探索，還有更多的發現和收獲值得期待。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。” 這表明團隊在應變玻璃領域有著長遠的規劃和持續探索的決心，他們將繼續在這個充滿潛力的領域深入研究，為材料科學的發展帶來更多的創新成果。

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來源：賢集網
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