結(jié)構(gòu)材料長期面臨一個(gè)根本性矛盾：強(qiáng)度與韌性往往不可兼得。金屬材料雖然韌性好，但強(qiáng)度偏低且高溫穩(wěn)定性差；而陶瓷材料雖然強(qiáng)度高、耐高溫，卻天生脆性大，容易發(fā)生災(zāi)難性斷裂。如何在一種材料中同時(shí)實(shí)現(xiàn)陶瓷般的高強(qiáng)度、金屬般的高韌性以及優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，是材料科學(xué)領(lǐng)域長期未能突破的經(jīng)典難題，也嚴(yán)重制約了航空航天、國防和能源等關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)O端環(huán)境用材的需求。

2026年4月22日，燕山大學(xué)劉日平院士團(tuán)隊(duì)（通訊作者還包括馮士東、劉迎丹、王利民）在《自然》（Nature）期刊上發(fā)表題為“Ceramic-like strength and metallic toughness in a bulk metallic glass”的研究論文。該團(tuán)隊(duì)成功研制出一種新型錸（Re）基塊體金屬玻璃（BMG），一舉打破了強(qiáng)度與韌性之間的傳統(tǒng)對(duì)立關(guān)系，為極端環(huán)境結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)開辟了新路徑。

研究團(tuán)隊(duì)基于熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)策略，以“熔化熵”為關(guān)鍵指導(dǎo)參數(shù)，在Re-Co-Ta-B四元體系中篩選出具有低熔化熵的Re??B??、CoB和Co??.?Ta??.?三個(gè)二元相，通過成分優(yōu)化與銅模吸鑄技術(shù)，成功制備出直徑達(dá)4毫米、完全非晶態(tài)的Re??.?Co??.?Ta?.?B??.?（簡稱Re1）合金。該合金展現(xiàn)出驚人的力學(xué)性能：室溫壓縮強(qiáng)度高達(dá)6.43 GPa，同時(shí)斷裂韌性保持在30 MPa·m1/2左右。在經(jīng)典的強(qiáng)度-韌性Ashby圖中，這一組合占據(jù)了一個(gè)此前完全空白的區(qū)域——其強(qiáng)度超越所有已知塊體金屬玻璃和晶態(tài)金屬，接近先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷，而韌性則遠(yuǎn)超后者。更令人矚目的是，該合金在900 K高溫下仍能保持4.4 GPa的斷裂強(qiáng)度，并表現(xiàn)出優(yōu)異的抗氧化、耐硫酸腐蝕、低熱膨脹（8.9×10?? K?1）和極低磨損率（1.7×10?? mm3/(N·m)），綜合性能遠(yuǎn)超現(xiàn)有高溫合金和高熵合金。

為揭示這種反常性能的微觀起源，團(tuán)隊(duì)綜合運(yùn)用了球差校正透射電鏡、同步輻射高能X射線散射和第一性原理計(jì)算。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該金屬玻璃并非傳統(tǒng)認(rèn)為的“無序密堆”，而是從低熔化熵的晶態(tài)前驅(qū)體（尤其是Re?B?相）中“遺傳”了大量類似晶體的短程有序結(jié)構(gòu)。具體而言，Re與B原子之間形成強(qiáng)烈的方向性共價(jià)鍵（Re 5d – B 2p軌道雜化），這些剛性共價(jià)鍵團(tuán)簇均勻嵌入在相對(duì)柔性的金屬基體中，構(gòu)成了一個(gè)既能抵抗屈服（提供高強(qiáng)度）、又能阻礙裂紋擴(kuò)展（保持高韌性）的獨(dú)特原子骨架。這種“共價(jià)鍵+金屬鍵”的混合鍵合模式，從根本上架起了陶瓷與金屬力學(xué)行為之間的橋梁。該工作不僅刷新了塊體金屬玻璃的力學(xué)性能記錄，更驗(yàn)證了“結(jié)構(gòu)遺傳性”作為一種普適原則，可用于理性設(shè)計(jì)下一代兼具極端強(qiáng)度和極端韌性的非晶材料。

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