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任晓兵团队7年磨一剑，打造‘既强且柔’新材料，实现高分子材料超高柔性与超高强度

文章来源：贤集网更新时间：2024-09-20 16:26:34

在材料科学的广阔领域中，一直存在着一个极具挑战性的目标，那就是寻找一种具备 “既强且柔” 特性的材料。这种材料仿佛是材料科学领域的圣杯，吸引着众多科学家为之奋斗。所谓 “既强且柔”，是指材料能够像钢一样具备高强度，能够承受巨大的压力和拉力而不易变形或断裂；同时又如同塑料一般拥有高柔韧性，可以轻松地进行弯曲、扭转等变形操作。这种特性在许多现实应用场景以及对未来技术的畅想中，都有着不可或缺的重要性。

从航空航天领域来看，飞行器的机翼设计就是一个典型的例子。在飞行器起飞或着陆时，需要将机翼展开以获取足够的升力，这要求机翼材料具有良好的柔韧性；而在高速飞行时，为了减少空气阻力，机翼又需要尽可能地收缩起来，这对材料的强度提出了很高的要求。就像鸟类在起飞和高速飞行时会调整翼展一样，飞行器的机翼材料必须具备 “既强且柔” 的特性，因为飞行器在数倍音速飞行时，机翼等机身突出部分承受着巨大的力量，如果材料强度不足，机翼很容易被撕裂，从而引发严重的安全事故。

再看科幻作品中常常出现的超级机器人场景，超级机器人用拳头打穿墙的力量来源是超强的人工肌肉纤维，这也需要一种结合了高强度与高柔韧性的材料才能实现。在人体器官等未来科技领域，同样在呼唤这样一种材料的出现。然而，在传统的材料科学原理中，这种将两种看似矛盾的特性集于一身的材料是难以想象的。例如，高强度钢虽然难以被拉断，但其柔韧性远远不及橡胶或塑料；而高分子塑料制品，像玩具塑料弹簧、塑料救生圈等，虽然能够轻易产生较大的弹性变形，但它们的强度却很低，容易发生断裂或破裂。在已知的材料中，这种 “既强且柔” 的特性从未被实现过，它就像是存在于科幻世界中的美好梦想，一直难以照进现实。

1、“应变玻璃态合金”：探索的起点与关键突破

（一）应变玻璃态合金的发现

任晓兵团队在材料科学的探索之路上已经跋涉了二十多年，他们的研究历程充满了挑战与机遇。2005 年，团队取得了一项具有重要意义的成果，他们在世界上首次发现了一类奇特的 “应变玻璃态合金”。这一发现从物理原理上带来了新的突破，为开发具备全新性能的新材料提供了可能的方向。这种应变玻璃态合金具有一些独特的物理性质，它就像一种尚未被完全发掘的宝藏，虽然在当时还不能直接满足 “既强且柔” 的目标，但为后续的研究奠定了重要的理论基础。

（二）无铅压电陶瓷材料的启示

2009 年，团队又有了新的发现。他们找到了世界上首个压电性能超越统治世界 50 余年的 “压电之王” 锆钛酸铅（PZT）的无铅压电陶瓷材料。在这个过程中，团队意识到其中产生异常压电效应的新物理原理，这一原理有可能被应用于金属材料并产生异常弹性特性。这一发现就像黑暗中的一道曙光，让团队看到了将不同物理原理相结合，从而实现 “既强且柔” 材料的可能性。

（三）应变玻璃态合金与 “拔丝红薯” 的类比

任晓兵为了让团队成员更好地理解应变玻璃态合金这一复杂的概念，将其比作生活中的美食 “拔丝红薯”。他解释道，应变玻璃与黏稠态的糖在物理上是相似的，糖在溶化过程中并没有明确的凝固点，而是在一个宽温域下逐渐硬化，这不同于水结冰这类有固定凝固点的转变。应变玻璃合金的这种特性能够提供宽温域下的稳定性能，这对于材料的实际应用来说是非常关键的。然而，早期的实验表明，单纯的应变玻璃态并没有超柔的特性，这意味着要实现 “既强且柔” 的目标，还需要进一步探索新的物理原理和材料处理方法。

2、特殊工艺下的突破：“双种子”+ 应变玻璃态的创新组合

（一）基础材料的选择与初步处理

综合团队前期的研究成果和发现，任晓兵认为，在宽温域下显示 “既强且柔” 的材料虽然很可能出现在应变玻璃这类全新的材料体系中，但不会在纯的应变玻璃状态下出现，需要借助异常弹性效应的新物理原理才能实现。于是，他们开始布局新材料的探索。出于对未来大规模生产的考虑，团队选择了一种商用镍钛合金作为基础材料，这种合金具有高强度的潜力，而且在市场上容易获取。他们首先通过冷变形的方法使其呈现高强度的 “应变玻璃” 状态，然后开始尝试改变各个工艺参数，密切观察材料强度和柔性的变化情况。

（二）“三步热机械处理工艺” 的创新

在这个过程中，团队成员、博士生徐治志发挥了关键作用。他通过一种独特的 “三步热机械处理工艺”，在高强度应变玻璃基体上 “种入” 两种马氏体的 “种子”，从而形成了一种 “双种子” + 应变玻璃的特殊状态。这种特殊状态的材料呈现出了令人惊喜的 “既强且柔” 的奇异性质。这一工艺就像是一把神奇的钥匙，打开了通往 “既强且柔” 材料世界的大门。

（三）微观机制的分析与特性探究

进一步的微观分析显示，这种超柔状态来源于特殊状态下双马氏体和应变玻璃之间的无形核相变及相对应的异常弹性效应。得益于应变玻璃的 “拔丝红薯” 渐变特性，该应变玻璃合金 “强柔并济” 的特性能够在 - 80℃到 80℃的宽温域内保持，同时该合金在大应变下仍具有出色的抗疲劳特性。对于变形飞行器及机器人等需要在宽温域下工作且需经历反复大变形的应用而言，这些特性是至关重要的。而且，任晓兵认为，这次发现的金属合金还有其他几个显著的优点。其一，基础合金非常普遍，这意味着原材料的获取成本较低且来源广泛；其二，技术工艺对于工厂来说并不复杂，不需要过高的技术门槛和特殊设备，这有利于在工业生产中进行大规模推广；其三，这种材料适合大规模量产，这为其在各个领域的广泛应用提供了坚实的基础。

3、意外惊喜背后：团队协作与持续探索的力量

说到这个金属合金的发现过程，任晓兵将其形容为一场 “意外的惊喜”。在初期探索中，论文第一作者徐治志将高强度镍钛合金的弹性模量做到了低至 30GPa。在任晓兵看来，这属于在这类材料固有特性范围内的 “常规动作”，之前也有类似的报道，所以并没有太多的突破之处。但是，任晓兵并没有将自己的想法告诉徐治志，他担心这样会打击学生的积极性。在科学研究中，经验不足的年轻人往往凭借着一股冲劲，可能会有一些意想不到的发现。

在任晓兵的刻意 “隐瞒” 下，徐治志继续按照自己的方法进行进一步的探索实验。直到有一天，徐治志把弹性模量做到了 15GPa，这一结果让任晓兵大为震惊，他意识到这一定是有全新的机制出现了。在激动之余，任晓兵积极帮助学生布置新一轮的实验。在团队青年教师纪元超和马天宇的帮助下，徐治志成功地将高强度材料的弹性模量首次做到了 10GPa，并阐明了该奇异性能的特殊应变玻璃起源。

对于任晓兵团队来说，之前发现的应变玻璃已经提出了全新的科学原理，而此次全新金属合金的发现只是其中的一项工作成果。在应变玻璃这个大的研究领域中，还有更多的未知等待着他们去探索，还有更多的发现和收获值得期待。任晓兵形象地比喻道：“对我们来说，这就像 10 根手指，金属合金只是其中的 1 根，还有 9 根的事情要去完成。” 这表明团队在应变玻璃领域有着长远的规划和持续探索的决心，他们将继续在这个充满潜力的领域深入研究，为材料科学的发展带来更多的创新成果。

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_557831.html
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