由康奈尔大学牵头的一项合作设计出了一种新方法，用于设计可承受极端冲击的金属和合金：引入纳米级减速带，抑制控制金属材料变形的基本转变，从而开发出能够更好地承受高速冲击、极热和应力的汽车、飞机和装甲。

　　该项目由康奈尔大学机械与航空航天工程学院（Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering）和材料科学与工程系助理教授莫斯塔法·哈桑尼（Mostafa Hassani）领导，并与美国陆军研究实验室（ARL）的研究人员合作完成。论文的共同第一作者是博士生唐琦和博士后研究员李建雄。该研究成果发表在3月5日的《通讯材料》（Communications Materials）杂志上。

　　人们从高速公路碰撞和弹道冲击中了解到，当金属材料以极快的速度受到撞击时，材料会立即破裂并失效。失效的原因是脆化，材料在快速变形时失去延展性（弯曲而不断裂的能力）。然而，脆化是一个变化无常的过程：如果将同一种材料慢慢弯曲，它也会变形，但不会断裂。

　　金属的这种延展性是微小缺陷（或称位错）在晶粒中移动直至遇到障碍的结果。在快速、极端的应变过程中，位错以每秒千米的速度加速，并开始与晶格振动或声子相互作用，从而产生巨大的阻力。这就是发生根本性转变的地方，从所谓的热激活滑行转变为弹道传输，从而导致巨大的阻力，并最终导致脆化。

　　“金属材料真正需要的是吸收能量的能力。因此，吸收能量的一种机制就是变形或延展性。在这种情况下，我们希望通过抑制位错的弹道传输，进而防止脆化，让合金发生变形，即使是在非常高的变形率下，例如在撞击或冲击条件下发生的变形，”哈桑尼说，“为了抑制弹道位错传输和由此产生的声子阻力，我们采用了将位错运动（即滑行）限制在纳米尺度的概念。”

　　哈桑尼的团队与美国陆军研究实验室的研究人员合作，制造出了一种纳米晶合金——铜钽合金（Cu-3Ta）。纳米结晶铜的晶粒非常小，位错运动本身就会受到限制，而晶粒内纳米级的钽簇又进一步限制了位错运动。

　　为了测试这种材料，哈桑尼的实验室使用了一个定制的桌面平台，通过激光脉冲发射球形微弹丸，微弹丸大小为10微米，速度高达每秒1千米，比飞机还快。微弹丸撞击目标材料，撞击过程被高速摄像机记录下来。研究人员先用纯铜进行实验，然后用铜钽合金进行实验。他们还用一个球形尖端以较慢的速度重复实验，该尖端逐渐被推入基底，使其产生压痕。

　　然而，最大的挑战在于解析数据。关键是跟踪每次撞击和压痕所用的能量。唐琦和李建雄开发了一个理论框架来区分两种机制的贡献——低速率下的热激活和高速率下的弹道传输。

　　在传统金属或合金中，位错可以无障碍地移动几十微米。但在纳米结晶铜钽中，位错几乎不能移动超过几个纳米，就会被阻挡在轨道上。脆化现象得到了有效抑制。

　　哈桑尼表示这是研究人员第一次以如此高的速度看到这样的行为，而这只是他们研究的一种微观结构和一种成分。接下来，研究人员将重点研究能否通过调整成分和微结构来控制位错-声子阻力以及能否预测差排-声子相互作用的程度。这项研究得到了美国国家科学基金会和陆军研究办公室的支持。（航柯）