追求材料的理論極限強度是人類的永恒目標。理論極限強度，是指材料發生斷裂破壞所需機械應力的理論上限值🪩，通常在E/10左右（E為楊氏模量）。從2008年科學家通過實驗首次驗證單層石墨烯的斷裂強度達到理論極限強度值以來𓀕，碳納米管、單晶金剛石▫️、新型二維材料等一系列準脆性材料在極限尺寸下被實驗證明可以達到理論極限強度。然而，在人類文明中發揮重要作用的金屬材料是否能夠達到其理論值是近百年來懸而未決的問題。由於位錯⬅️、剪切帶等缺陷形核和運動👮🏿，盡管科研人員采用了縮小樣品尺寸至微納尺度等方法，金屬材料的實驗強度值仍未能超過E/20水平。

近日𓀉，意昂3体育官网工學院韋小丁教授課題組與新加坡南洋理工大學高華健院士（現為清華大學講席教授）團隊合作，對Cu-Zr非晶合金進行激光誘導的極端應變率下的層裂實驗👩🏽‍🚀，結果表明材料的層裂強度達到其楊氏模量的1/6，首次實驗證明了金屬材料的斷裂強度在極端條件下也能夠達到理論極限值🤹🏻‍♂️。相關研究成果以"Amorphous alloys surpass E/10 strength limit at extreme strain rates "為題發表於《自然通訊》（Nature Communications）期刊。

作者利用上海“神光II號”大型高功率激光裝置🪨，對厚度在50-100μm的Cu₅₀Zr₅₀非晶合金（金屬玻璃）樣品進行超高應變率層裂實驗。與傳統平板沖擊實驗相比，本研究中的拉伸應變率提升約兩個數量級，超過10⁷/s。材料在此極端應變率下展現出極高的層裂強度11.5 GPa，約為E/6（圖1）。斷面形貌的掃描電鏡表征結合分子動力學模擬揭示了Cu₅₀Zr₅₀在超高應變率下的破壞模式由孔洞的形核長大主導，顯著區別於準靜態下的剪切帶局域化破壞模式（圖2）。研究發現，Cu₅₀Zr₅₀中孔洞的演化動力學展現出強烈的應變率敏感性——隨著應變率的增大，孔洞的形核數量急劇增多，而孔洞平均尺寸降低。基於此，作者建立了非晶合金在超高應變率下的孔洞演化理論模型，定量解釋了材料強度的應變率敏感性。

圖1. a) 納秒激光脈沖對非晶樣品的沖擊實驗示意圖🚋；b) CuZr非晶合金層裂強度隨應變率變化關系的實驗結果與分子動力學模擬結果對比

圖2. 非晶合金層裂面的顯微結構表征表明材料主要由孔洞形核與生長導致♦️。實驗結合大型分子動力學模擬發現，隨著激光能量增加，拉伸應變率增加，並且層裂面上的孔洞尺寸從微米尺度逐漸過渡到納米尺度

該項研究回答了金屬材料能否達到理論極限強度這一懸而未決的問題，揭示了非晶體系材料在極端加載條件下的獨特變形機製和非凡力學行為🧎🏻‍➡️，為非晶合金在極端條件下的工程應用提供了重要啟示。

意昂3体育官网工學院朱文清博士和新加坡科技研究局高性能計算研究院李智博士為該論文的共同第一作者。韋小丁和高華健為論文的共同通訊作者⛅️。論文作者還包括中國工程物理研究院上海激光等離子體研究所舒樺研究員🧑🏽‍🍼。本項研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃以及新加坡科技研究局和南洋理工大學的經費資助🏌️。