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燕山大學亞穩材料全國重點實驗室先進結構材料中心王利民教授團隊聯合河北工業大學、中國科學院物理研究所等單位，依據熵調控設計方法高效精準地開發出兼具超高強度、高韌性、高熱穩定性的錸（Re）基塊體非晶合金。研究成果以“兼具類陶瓷強度與金屬韌性的塊體金屬玻璃”為題（Ceramic-like Strength and Metallic Toughness in a Bulk Metallic Glass），發表在4月22日出版的Nature期刊上。
材料強度—韌性關系的Ashby圖
非晶態材料作為物質的基本形態之一，因其獨特的原子無序結構，展現出晶態材料難以比擬的物理和化學性能。當前，新型非晶材料（如非晶合金和氧化物玻璃等）的研發主要依托多組元混亂原則和深共晶原則相結合的定性指導，難以擺脫低效的試錯性成分設計模式。突破傳統范式的瓶頸，實現非晶成分的定向設計，始終是制約非晶合金領域發展的核心科學難題，尤其對于具有特殊應用價值的高溫非晶合金的研發更為迫切。
該研究的突破在于提出了非晶成分熵調控設計方法，通過選取具有高彈性模量、高價電子濃度及強共價鍵特征的難熔元素（錸Re、鈷Co、鉭Ta、硼B），并利用Re–B、Co–B及Co–Ta二元體系中低熔化熵的成分進行相競爭整合，成功開發出一類新型高性能Re基塊體非晶合金。該材料突破了傳統金屬與陶瓷材料之間的強度—韌性權衡，在保持約30MPa·m1/2斷裂韌性的同時，實現了約6.43GPa的超高強度。這一數值刷新了迄今已報道的非晶合金和晶態金屬的強度紀錄，在接近先進陶瓷強度的同時，展現出遠超后者的斷裂韌性。此外，該合金還表現出卓越的高溫穩定性與環境耐受性：在900K下仍保持約4.4GPa強度，同時在氧化與腐蝕環境中性能穩定。
該工作得到國家自然科學基金及國家重點研發計劃項目的資助支持。蔡正清、馮士東、宋貞強為論文的共同第一作者。
來源：燕山大學亞穩材料全國重點實驗室 燕山大學科學技術研究院
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