新型金屬強度極高但重量超輕
2020-11-25 中國科學院新型金屬強度極高但重量超輕
2015-12-27 科技日報 劉園園
語音播報
左圖為純金屬變形後所得樣本，右圖為新型金屬納米複合材料變形後所得樣本。兩圖中間的微型柱體直徑約為4微米。
據加州大學洛杉磯分校官網消息，該校科研團隊近日研發出一種強度極高但重量超輕的新型金屬。
這種新型金屬——精確地說是金屬納米複合材料——由加入納米碳化矽粒子的鎂構成，可以用來製造輕型的飛機、宇宙探測器、汽車等等，並有助於提高這些設備的燃料效率。研究結果12月24日發表在《自然》期刊上。
鎂的密度只有鋁的三分之二，是最輕的結構性金屬。碳化矽是一種超硬陶瓷，在工業製造中多用於切割刀刃。科學家認為納米陶瓷粒子可以在不破壞金屬可塑性的同時增加它們的強度，然而由於微小的粒子具有相互吸引的特性，納米陶瓷粒子在加入液態金屬後更傾向於凝聚在一起，而不是均勻地分散開。此前沒有科研團隊能夠成功將陶瓷納米粒子分散在熔化的液態金屬中。
該校亨利·薩繆理工程和應用科學學院的科研人員找到一種新的途徑使納米粒子穩定地均勻分散在液態金屬中。為了製造這種新型金屬，科研人員將納米陶瓷粒子分散在液態的鎂鋅合金中，使它們依靠自身動能分散並避免了相互凝聚。它們還使用了一種高壓扭轉技術進一步增加金屬的強度。憑藉這種方法，研究人員將大量小於100納米的碳化矽粒子均勻地加入到鎂當中，增加了鎂的強度、剛度、可塑性和耐熱性。
這種新型金屬所展示出的比強度和比模量均打破了紀錄。所謂比強度即材料斷開時單位面積所承受的力除以其表觀密度，比強度越高表明達到相應強度所用的材料質量越輕。而比模量即材料的模量（指材料在受力狀態下應力與應變之比）與密度之比，是衡量材料承載能力的重要指標。
「通過將物理學和材料加工學相結合，我們的方法使納米粒子均勻而密集地分散在金屬中，為提高不同金屬的性能以使它們滿足當今社會提出的能源和可持續性方面的要求鋪平了道路，」該研究負責人李曉春（音譯）說：「新型金屬家族具有顛覆性屬性和功能，我們的研究結果只是揭開了其潛在價值的面紗而已。」
左圖為純金屬變形後所得樣本，右圖為新型金屬納米複合材料變形後所得樣本。兩圖中間的微型柱體直徑約為4微米。
據加州大學洛杉磯分校官網消息，該校科研團隊近日研發出一種強度極高但重量超輕的新型金屬。
這種新型金屬——精確地說是金屬納米複合材料——由加入納米碳化矽粒子的鎂構成，可以用來製造輕型的飛機、宇宙探測器、汽車等等，並有助於提高這些設備的燃料效率。研究結果12月24日發表在《自然》期刊上。
鎂的密度只有鋁的三分之二，是最輕的結構性金屬。碳化矽是一種超硬陶瓷，在工業製造中多用於切割刀刃。科學家認為納米陶瓷粒子可以在不破壞金屬可塑性的同時增加它們的強度，然而由於微小的粒子具有相互吸引的特性，納米陶瓷粒子在加入液態金屬後更傾向於凝聚在一起，而不是均勻地分散開。此前沒有科研團隊能夠成功將陶瓷納米粒子分散在熔化的液態金屬中。
該校亨利·薩繆理工程和應用科學學院的科研人員找到一種新的途徑使納米粒子穩定地均勻分散在液態金屬中。為了製造這種新型金屬，科研人員將納米陶瓷粒子分散在液態的鎂鋅合金中，使它們依靠自身動能分散並避免了相互凝聚。它們還使用了一種高壓扭轉技術進一步增加金屬的強度。憑藉這種方法，研究人員將大量小於100納米的碳化矽粒子均勻地加入到鎂當中，增加了鎂的強度、剛度、可塑性和耐熱性。
這種新型金屬所展示出的比強度和比模量均打破了紀錄。所謂比強度即材料斷開時單位面積所承受的力除以其表觀密度，比強度越高表明達到相應強度所用的材料質量越輕。而比模量即材料的模量（指材料在受力狀態下應力與應變之比）與密度之比，是衡量材料承載能力的重要指標。
「通過將物理學和材料加工學相結合，我們的方法使納米粒子均勻而密集地分散在金屬中，為提高不同金屬的性能以使它們滿足當今社會提出的能源和可持續性方面的要求鋪平了道路，」該研究負責人李曉春（音譯）說：「新型金屬家族具有顛覆性屬性和功能，我們的研究結果只是揭開了其潛在價值的面紗而已。」
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