“强柔并济 ”的新金属材料来了！

  “重大的技术创新高度依赖于基础研究的重大突破，但这些突破不会一蹴而就，需要全社会对科学家给予更大的耐心和自由。”2017年9月24日，时任西安交通大学前沿科学技术研究院任晓兵在浦江创新论坛上发表演讲时说出了这句话。彼时，任晓兵还在思考团队的研究成果“应变玻璃态合金”如何应用于新材料研发中。

  7年后，任晓兵和团队终于向前迈进了一大步，“应变玻璃”的应用开始驶入快车道。团队成功研发出的一种可规模生产的金属合金，突破了长期以来高柔性和高强度不可兼得的原理性瓶颈，实现了兼具高分子材料的超高柔性和超高强度钢的超高强度。相关研究成果于9月4日在线发表在《自然》。

  一直以来，金属材料领域的科学家们都有一个共同的愿望，就是找到一种接近于“完美”的新材料，既能拥有像钢一样的高强度，又能像塑料一样的柔韧，做到“鱼与熊掌兼得”。

  让这样两种矛盾的特性集中在一起，听起来似乎不太可能。如今要做到“强”已非难事，任晓兵介绍说：“过去一个世纪以来，已经研发了大量的足够强的材料，比如高强度钢、超高强度钢等。这一类材料已经能做到让它足够强。”

  然而这类高强度材料面临的最大难点是无法在强的同时还能表现出像橡胶或塑料一样的柔性。比如一根钢筋，要拉断它很困难，因此很强，但更困难的是要让它保持这个高强度的同时还能像塑料一样任意弯曲。

  与上述高强度但低柔性相对的另一极，又是另外一番景象。家里的高分子塑料制品，如玩具塑料弹簧及塑料救生圈等，是可以轻易产生大的弹性变形，但却很容易发生断裂或破裂，这是因为它的强度不够，足够柔，但不够强。

  科技的发展，向材料应用提出了新要求。随着未来金属材料的应用领域愈来愈普遍，很多场景都要使用到这种“既强且柔”的材料。“比如变形飞机、航空航天飞行器以及机器人的人工肌肉。”

  任晓兵用飞行器举例说，飞行器在起飞或者着陆时需要把机翼展开，让它产生足够的升力，高速飞行时需要把尽量机翼收起来以减少空气阻力，这需要机翼材料具备足够的柔性。“就像鸟在起飞和高速飞行时使用不相同的翼展的原理类似。但是飞行器会以几倍于音速进行高速飞行，机身突出部分比如机翼所承受的力是巨大的，材料强度不足的话，机翼就会被撕裂；因此就需要既强且柔的材料。”

  在科幻电影中，常常看到未来世界的超级机器人用拳头打穿墙的场景，这个力量的来源就是超强的人工肌肉纤维。但要在现实中做到这一点其实很难，用高分子材料制作的人工肌肉纤维强度不够高，用普通金属制作又因为柔性不足而无法实现。

  “还有比如我们的人体器官等等这些未来科技领域，都在呼唤着一种能结合强和柔两种特点的新材料出现。科学家们的想象已经伸展到广阔的境界，如果能有这样一种又柔又强的材料出现，这些未来科技就都有实现的可能。”任晓兵说。

  从科学角度来说，强和柔这两种性质是矛盾的，无法同时出现在同一块物体上。任晓兵分析说，从原子尺度来看，原子键越强，材料强度也会越强，但如果要让这种原子键很强的材料产生一种柔软的性质，就很困难了。“原子键类似于连接原子的超微型弹簧，强的原子键相当于这个弹簧很刚性，因此破坏这个弹簧所需要的力是很大的，即强度高；但这个刚性的弹簧自然不易变形，因此理论上无法在高强度的同时实现高柔性。这就是一直以来的瓶颈。”

  但任晓兵不信这个邪，他和团队在这样的领域已经耕耘了二十多年，过往的一系列成果，让他的团队对发现这种“来自未来”的材料充满信心。

  2005年，任晓兵率领研究团队在世界上首次发现一类奇特的“应变玻璃态合金”。 这一发现是物理原理上的一个突破，有可能带来全新性能的新材料。近年来，任晓兵提出的应变玻璃概念正在形成形状记忆合金和马氏体材料领域的一个新生长点和热点，并引发了国际科技巨头的跟踪研究。2009年，任晓兵团队还发现了世界上首例压电性能超越统治了全世界50余年的“压电之王”PZT的无铅压电陶瓷材料，并意识到其中的物理原理能够适用于金属材料。

  基于二十余年来团队在铁性玻璃、高性能无铅压电材料等方向的研究经验，任晓兵觉得，这种“既强且柔”的材料如今已经呼之欲出，便开始着手进行这方面的研究和实验。

  出于今后商用的考虑，团队选择了“满大街都能买到的”一种镍钛合金来作为基础材料。这种材料的金属键与钢类似，具有成为高强度材料的潜质。

  随后，任晓兵团队的博士生徐治志和其他研究人员开始把“应变玻璃”原理应用在这种镍钛合金上，看能否发现一些新现象。

  任晓兵把“应变玻璃态合金”比作生活中的一道美食“拔丝红薯”，他告诉学生：“拔丝红薯很像我们正在研究的应变玻璃，因为粘稠态的糖与应变玻璃在物理性质上是一样的，糖在融化过程中没明确的凝固点，而是在一个宽温域下逐渐硬化。”从微观来看，这样的一个过程中的平均结构没有变化，在高温下可以发生无序流动。

  发现“应变玻璃”之后，团队科研人员一直在思考这个现象能干什么。虽然当时没想明白，但是团队没有停止探索，“我们始终相信它一定会有用”。

  终于，在一次偶然的实验中，徐治志通过一种特殊的工艺手段，发现了让这种高强度材料显示出奇异的超低模量的方法，体现出超柔的性质，并且依然保持了超越超高强度钢的强度，神奇的“既强且柔”合金出现了！

  任晓兵将这种方法称为“可规模生产的三步热机械处理工艺”。实验中先对基础材料来强力拉伸，随后进行退火，在此过程中再种进两种马氏体的“种子”，最后形成的材料就可以同时获得强和柔两种性质。

  一般来说，高强度材料如高强度钢的强度高于1GPa，但其柔性很低，弹性模量或刚度系数高达200GPa。而高分子材料正相反，柔性很高，弹性模量可以低至10GPa或更低，但其强度也很低，大多低于0.2GPa。在团队之前的探索中，徐志治已经将高强度材料的弹性模量做到了低至30GPa，同时强度保持在1GPa以上。“30 GPa比钢已经要柔了很多，但要实际应用还不够柔，我们这次将它做到了10GPa.”任晓兵说。

  任晓兵认为，团队这次发现的金属合金有几个优点，首先是基础合金很普遍，其次技术工艺对于工厂来说也并不难，适合大规模量产。“强柔并济”的特性还能够在-80℃到+80℃的宽温域内保持，在大应变下仍具有非常出色的抗疲劳特性。这些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的大变形的应用是至关重要的。

  说到发现这种金属合金的过程，任晓兵笑称其为“意外的惊喜”。论文第一作者徐治志之前将高强度镍钛合金的弹性模量做到了低至30 GPa，对任晓兵来说，这属于意料之内的“常规动作”，是这类材料固有的特性，以前也有类似报道，因此并没太多突破，但任晓兵并没有点破，“因为这样会打击学生的积极性。经验不足的年轻人，往往可以凭着冲劲，有一些意外的发现。”

  这一成果的发现也与任晓兵长期以来培育学生的理念不无关系，就是给予学生最大的自主性。并且任晓兵还喜欢将科研中的难题用生活中常见的现象做比喻，用“拔丝红薯”打比方就是请学生到自己家里吃“忘年餐”时的灵感，一句话使同学们一下子明白了应变玻璃的真谛。

  在任晓兵的刻意“隐瞒”下，徐治志并不清楚自己其实已经触摸到了天花板，理论上来说无法再往前更进一步了，他依然采用自己的办法来进行进一步的探索实验。直到某一天，徐治志告诉任晓兵，自己把高强度材料的弹性模量做到了15 GPa，任晓兵几乎不敢相信，经过检查后发现实验过程并没问题，“我认识到这一定是全新的机制出现了。”激动之余，任晓兵开始帮助学生重新布置新一轮实验，工作量瞬间增长到之前的10倍以上，在团队青年教师纪元超和马天宇的帮助下，徐治志终于将高强度材料的弹性模量首次做到了10 GPa，并成功地阐明了该奇异性能来源于一种特殊的应变玻璃状态。

  论文投稿后，三位审稿人也都给予了正面评价，原则上都同意发表。让任晓兵意外的是，一般不对论文表达个人评价观点的期刊编辑居然也在回信里罕见的使用了“对该论文很感兴趣”这样的主观词汇。论文上线后，任晓兵团队的电话和邮箱就开始忙碌起来，来自国内外材料和航空等所有的领域的机构和公司都与团队取得联系，想进一步了解这项成果的具体信息。

  对任晓兵和团队来说，之前的“应变玻璃”提出了全新的科学原理，这次的全新金属合金只是其中的一项工作，在“应变玻璃”这个大领域下还会有更多收获。“对我们来说这就像10个手指头，金属合金只是点到了其中的1个指头，还有9个指头的事情要去完成。”任晓兵说。

  团队研发的合金实现了“强柔并济”的罕见特性，突破了以往材料（灰色带中）无法兼具高强度和高柔性的原理性瓶颈。a兼具超高强度钢的高强度和高分子材料的高柔性；b该合金在收到外部作用力时呈现像高分子材料一样的巨大弹性变形但同时像高强度钢一样的高强度；c该合金的柔度因子（定义为弹性模量与屈服强度之比）为所有工程材料之最大；d该合金的特性（柔而强，右）与对照材料的弹簧钢（刚而强，左）和高分子复合材料（柔而弱，中）的直观对比。