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西工大材料學院教授王志軍介紹:“舉個極端的例子,比如空間站受到太空垃圾的‘襲擊’時,太空垃圾會以每秒10公里左右的速度沖向空間站,普通的金屬材料會瞬間被擊穿。”

從理論上講,空間站的防護屏障所選用的材料,既要有極高的強度,又要有很高的韌性,同時還要輕便易運輸。不僅如此,太空中還有宇宙射線和高低溫交替,在這種極端環(huán)境下,金屬材料也要保持很好的性能。

太空旅行想象圖。 朱繼宏 繪 攝

這就為材料科學家提出了一個非常具有挑戰(zhàn)性的課題。從目前金屬材料的科學研究來看,使用既強又韌的金屬材料,是被動防護的最佳選擇之一。

盡管目前空間站中使用的材料是可以防范以上風險的,不過,科學家們還是在不斷追求更輕、更高效、更節(jié)能環(huán)保、更容易制備的合金材料。

西北工業(yè)大學材料學院王錦程教授團隊,在雙相合金中提出的選“相”再結晶概念,為科學家們研制出密度低、強度高,且具有良好變形能力的合金材料提供了理論支撐。

什么是雙相金屬材料?團隊何峰教授打了個比方:“我們可以把雙相金屬材料中的兩個決定其性能的結構(雙相),分別比喻為動物的骨骼和肌肉,只有在骨骼強硬、肌肉發(fā)達,且軟組織柔韌的情況下,一個動物才能有很好的運動能力。”

理論上來講,雙相合金因為具備“骨骼”和“肌肉”協(xié)調運行的基本要素,因此理應具有很好的性能。然而,傳統(tǒng)雙相合金因為受制于加工工藝的限制,“骨骼”之間的連接薄弱,容易“脫臼”,且“骨骼”與“肌肉”之間不能良好協(xié)作,因此在真實應用場景下,雙相合金的性能總是與理論設想中的相去甚遠。

針對這一難題,團隊提出了一種獨特的“相”選擇再結晶概念,讓雙相合金的“骨骼”韌性更高,“肌肉”和“骨骼”的協(xié)調性更好,從根本上消除“脫臼”的可能性。這種方法首次在共晶高熵合金中實現(xiàn)了高達35%的均勻延伸率,并實現(xiàn)了接近2GPa的斷裂真應力。

王錦程表示,相對于傳統(tǒng)強韌化方案,團隊創(chuàng)新提出的新方法,不僅工藝簡單,更重要的是調控后的合金強塑性得到了成倍的突破,未來有望在空天防護、高端裝甲中獲得廣泛應用。

何峰表示:“如果有了這樣的防護裝備,未來,太空旅行的安全指數(shù)將大大提高。”(完)

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