Nature：金屬玻璃-非晶合金

金屬與陶瓷各自存在明顯的性能局限：金屬通常強度較低，且高溫穩定性較差；而陶瓷雖然具有較高強度，卻普遍存在本征脆性。

因此，開發兼具高強度、高斷裂韌性和高熱穩定性的材料，一直是材料科學領域的重要目標。

在此，來自燕山大學的馮士東、劉日平院士以及劉迎丹、燕山大學&河北工業大學的王利民等研究者報道了一類Re–Co–Ta–B塊體金屬玻璃（BMGs），突破了上述傳統限制，在實現約6.43 GPa超高斷裂強度的同時，仍保持約30 MPa·m1/2的斷裂韌性。相關論文以題為“Ceramic-like strength and metallic toughness in a bulk metallic glass”于2026年04月22日發表在Nature上。

通常而言，抗變形能力強的材料往往在斷裂時表現出災難性失效，而能夠在斷裂過程中有效吸收能量的材料，其變形通常又發生在相對較低的應力水平下。

這種根本性的兩難關系，在金屬與陶瓷截然不同的力學性能特征中體現得尤為典型：前者具有優異的損傷容限，但強度相對有限；后者則兼具高強度和高熱穩定性，卻以斷裂韌性不足為代價。

強度—韌性之間的此消彼長，對航空航天、國防和能源等先進領域的材料選擇形成了諸多限制，因為這些應用往往同時要求材料具備高承載能力、優異抗斷裂性能以及高溫下的力學完整性。

因此，開發能夠突破這一經典性能權衡的新材料，已成為當代材料科學的核心目標之一。

塊體金屬玻璃（bulk metallic glasses, BMGs）因其獨特的非晶原子結構，被認為是應對這一挑戰的極具潛力的候選材料。

這種結構使其有望接近理論強度，同時保持優異的彈性性能和較高的斷裂韌性。

正因如此，BMGs 被視為有可能突破傳統晶體材料性能上限的“顛覆性”材料體系。

然而，盡管相關研究已持續多年，BMGs 的全部潛力始終未能得到充分釋放。

現有大多數 BMGs 在關鍵性能指標上仍存在明顯短板，例如在極端環境下強度不足、熱穩定性不夠理想，或玻璃形成能力（glass-forming ability, GFA）有限，因此，設計新一代高性能 BMG 成分體系已顯得尤為迫切。

與此同時，優異 BMGs 的發現還受到傳統開發方法的嚴重制約：這類方法主要依賴經驗性設計規則以及大量試錯實驗。

對于新的多元組分體系而言，由于缺乏完整的相圖信息，理性設計往往需要耗費大量時間和資源，成本極高。

這些問題相互疊加，導致研究者難以找到性能均衡、綜合表現優異的 BMG 材料，也由此形成了制約該領域發展的方法學瓶頸。

在本文中，研究者通過引入一種由熔化熵引導的熱力學驅動設計模型，成功突破了上述限制。

該策略基于低熔化熵相的結構遺傳原理，將混合熱力學與組成元素的本征電子特性相結合，有選擇地穩定了一類剛性的短程有序（short-range order, SRO）結構基元，并使其嵌入于具有一定順應性的金屬基體之中。

基于這一設計思路，研究者發現了一類全新的 Re–Co–Ta–B 塊體金屬玻璃，其斷裂強度高達約 6.43 GPa，達到陶瓷級別；同時其斷裂韌性仍可保持在約 30 MPa·m1/2，呈現出典型金屬材料的韌性特征。該強度不僅超過了此前報道的大多數塊體金屬玻璃和晶態金屬，而且已接近先進陶瓷的強度水平；與此同時，其韌性又遠高于陶瓷材料。這類合金還表現出顯著的抗熱軟化能力和惡劣環境耐受性：即使在 900 K 下，仍可保持 4.4 GPa 的高強度，并且幾乎不發生氧化和腐蝕。

同步輻射測試與像差校正顯微分析揭示了其優異性能的結構根源：該材料具有一種獨特的非晶結構，并從 Re?B? 金屬間化合物相 中繼承了高度類似晶體的短程有序特征。

第一性原理計算進一步表明，這種原子結構由嵌入金屬基體中的定向 Re–B 共價鍵 所強化，從而在本質上實現了陶瓷鍵合特征與金屬鍵合特征之間的橋接。

該研究提出，“結構遺傳”可作為一種重要設計原則，用于開發兼具以往難以同時獲得的多重優異性能的新一代非晶材料。

圖1 強度-韌性阿什比圖。

圖2 Re26.9Co44.1Ta6.9B22.1BMG(Re1)的高溫性能

圖3 Re26.9Co44.1Ta6.9B22.1BMG(Re1)的原子結構分析。

圖4 Re26.9Co44.1Ta6.9B22.1BMG(Re1)的成鍵特性及電子分析。

總而言之，研究者開發出一類全新的 Re 基塊體金屬玻璃（BMGs），成功突破了傳統金屬與陶瓷材料中固有的經典強度—韌性權衡模式。

這類材料兼具陶瓷級高強度、金屬級斷裂韌性、1,000 K 以上的高熱穩定性以及優異的環境耐受性，為極端環境結構材料樹立了新的性能標桿。

從更本質的層面看，研究者證明了這些優異性能來源于一種結構遺傳效應：源自低熔化熵晶體前驅體的剛性短程有序（short-range order, SRO）結構基元，廣泛分布并貫穿于非晶基體之中。

本研究表明，熔化熵不僅是發現優良玻璃形成體系的有力指導參數，同時也是調控短程有序結構的重要關鍵因素。

基于熱力學指導的這一設計框架，為構筑兼具以往難以同時獲得之多重性能的新型先進非晶材料，提供了一條更具原理性和系統性的設計路徑，并有望推動其在最嚴苛工程應用場景中的能力躍升。

展望未來，通過進一步調控剛性結構基元與柔順金屬基體之間的相互作用關系，有望形成一種協同增強延展性的設計途徑。

該策略有潛力在下一代 Re 基塊體金屬玻璃中實現高強度、高斷裂韌性與高延展性的統一。

參考文獻

Cai, Z., Feng, S., Song, ZQ. et al. Ceramic-like strength and metallic toughness in a bulk metallic glass. Nature (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10430-w

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10430-w

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