“既強(qiáng)且柔”的奇異金屬，讓變形飛機(jī)、機(jī)器人的超強(qiáng)人工肌肉成為可能！

作者 李傳福 史湘綺

在現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展中，我們對(duì)材料的性能要求越來(lái)越高。特別是在航空航天、機(jī)器人技術(shù)以及人工器官等領(lǐng)域，對(duì)材料的強(qiáng)度和柔韌性都提出了苛刻的要求。近日，西安交通大學(xué)前沿院及金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究成果，他們成功研發(fā)出了一種新型金屬合金，這種合金不僅具有超高強(qiáng)度，還擁有類似高分子材料的超高柔韌性，為未來(lái)技術(shù)的發(fā)展打開了新的可能性。

這種新型合金是帶有兩種馬氏體“種子”的獨(dú)特應(yīng)變玻璃狀態(tài)合金（DS-STG），它是基于Ti-50.8Ni合金，通過一種創(chuàng)新的三步熱機(jī)械處理工藝制備而成。這種合金的問世，打破了長(zhǎng)期以來(lái)金屬材料在強(qiáng)度和柔韌性之間不可兼得的傳統(tǒng)觀念。在傳統(tǒng)的材料科學(xué)中，高強(qiáng)度往往意味著低柔韌性，因?yàn)楦邚?qiáng)度需要強(qiáng)的原子鍵，而這又會(huì)限制材料的變形能力。然而，DS-STG合金的出現(xiàn)，卻實(shí)現(xiàn)了在保持超高強(qiáng)度的同時(shí)，還具有超低的彈性模量，這使得它在-80℃到+80℃的寬溫域內(nèi)都能展現(xiàn)出類似橡膠的柔韌性。

這種“既強(qiáng)且柔”的特性，使得DS-STG合金在變形飛行器、超級(jí)機(jī)器人、人工器官等未來(lái)技術(shù)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。例如，在航空航天領(lǐng)域，這種合金可以用于制造能夠根據(jù)飛行條件變化而改變形狀的飛機(jī)機(jī)翼，從而提高飛機(jī)的性能和燃油效率。在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，DS-STG合金可以用于制造超強(qiáng)人工肌肉，使機(jī)器人的動(dòng)作更加靈活和精確。此外，這種合金在醫(yī)療領(lǐng)域也有望發(fā)揮重要作用，比如用于制造更加靈活和耐用的人工關(guān)節(jié)。

DS-STG合金的研制成功，得益于科研團(tuán)隊(duì)對(duì)應(yīng)變玻璃的深入研究。應(yīng)變玻璃是一種特殊的非晶態(tài)合金，它在微觀結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出無(wú)序排列，但在宏觀上卻能展現(xiàn)出一定的彈性和塑性。科研團(tuán)隊(duì)通過精確控制熱處理過程，使得合金中形成了具有特定取向的兩種馬氏體晶種，這些晶種在應(yīng)力作用下能夠無(wú)障礙地轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌鄳B(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了超低彈性模量和超大可恢復(fù)應(yīng)變。

此外，DS-STG合金還展現(xiàn)出了優(yōu)異的抗疲勞性能。在進(jìn)行了超過500萬(wàn)次的循環(huán)加載測(cè)試后，合金仍然沒有出現(xiàn)疲勞破壞的跡象。這一特性對(duì)于需要長(zhǎng)時(shí)間、高頻率運(yùn)作的航空航天部件和機(jī)器人關(guān)節(jié)來(lái)說至關(guān)重要。

隨著這種新型合金的進(jìn)一步研究和應(yīng)用，我們有理由相信，變形飛機(jī)、超級(jí)機(jī)器人和人工器官等曾經(jīng)只存在于科幻小說中的概念，將會(huì)逐漸成為現(xiàn)實(shí)。這不僅是科技進(jìn)步的體現(xiàn)，更是人類智慧的結(jié)晶。