強(qiáng)度與延展性不可兼得一直是材料科學(xué)中的一個(gè)難題。一種材料的強(qiáng)度越高，其延展性和韌性就越低；換言之，堅(jiān)固的合金難以變形或拉伸而不斷裂。城大工學(xué)院大學(xué)杰出教授、香港高等研究院資深院士劉錦川教授, 與他的團(tuán)隊(duì)成員材料科學(xué)及工程學(xué)系助理教授楊濤博士，共同開發(fā)了一套創(chuàng)新的合金設(shè)計(jì)策略，來(lái)解決材料強(qiáng)度與韌性兼容的難題, 為制造在極端溫度和航空航天系統(tǒng)中使用的材料鋪平道路。劉教授解釋：“大多數(shù)傳統(tǒng)合金包含一種或兩種主要元素，如鎳和鐵。然而，我們發(fā)現(xiàn)通過(guò)在鐵-鈷-鎳（FeCoNi）合金中加入鋁和鈦形成大量沉淀顆粒后，金屬材料的強(qiáng)度和延展性都有顯著提高。”

劉教授及其團(tuán)隊(duì)將研究成果發(fā)表在著名的《科學(xué)》雜志上，指出他們研制的高熵合金強(qiáng)度高達(dá)1.5吉帕，比FeCoNi合金堅(jiān)固五倍，并且在室溫下延展性達(dá)50%。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，加入“多組分金屬間納米粒子”可大大增強(qiáng)塑性變形的穩(wěn)定性，避免了常見(jiàn)的早期頸縮斷裂問(wèn)題。

劉教授認(rèn)為，采用這種創(chuàng)新策略制造的新合金，能夠在-200°C低溫至1,000°C高溫的溫度范圍內(nèi)都表現(xiàn)出良好性能，從而為進(jìn)一步研發(fā)低溫設(shè)備、飛機(jī)和航空高溫系統(tǒng)以及其他領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)用途奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在他們最近發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的另一項(xiàng)研究中，劉教授的團(tuán)隊(duì)成員發(fā)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)有序的多組元金屬間合金的晶界處形成無(wú)序的納米層，能有效解決強(qiáng)度與延展性不可兼得的矛盾。

通過(guò)在一種金屬間化合物合金中加入原子濃度為1.5-2.5的硼后，研究人員發(fā)現(xiàn)合成的合金中有序堆積的晶粒之間形成了獨(dú)特的納米級(jí)層。該研究的第一作者楊博士表示：“這一納米層在相鄰晶粒之間充當(dāng)了緩沖帶，使晶界發(fā)生大面積塑性變形，從而在超高屈服強(qiáng)度水平下仍具有巨大的拉伸延展性。”

在晶界形成納米層后，合金表現(xiàn)出1.6吉帕的超高屈服強(qiáng)度，室溫拉伸延展性為25%，并在高溫下保持了合金的強(qiáng)度和良好的熱穩(wěn)定性。

劉教授表示：“在合金中發(fā)現(xiàn)的這種無(wú)序納米層將促進(jìn)未來(lái)高強(qiáng)度材料的發(fā)展，例如可用于高溫環(huán)境的結(jié)構(gòu)材料，如航天、航空、核電和化學(xué)工程。”

劉教授、楊博士及其研究團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)致力于研究超高強(qiáng)度鋼、多元高熵合金、輕質(zhì)材料以及納米結(jié)構(gòu)材料的各種應(yīng)用。

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