3月8日,世界顶级综合类学术期刊《SCIENCE》刊登了能源材料微结构实验室崔立山教授研究组以第一作者单位与国内外科学家合作的学术论文,题目为“A Transforming Metal Nanocomposite with Large Elastic Strain, Low Modulus and High Strength”,同期还刊登了美国著名科学家对该论文的专题评述文章。这是学校首次在《SCIENCE》期刊发表论文。
该论文基于对金属纳米复合材料中两组元载荷传递在原子尺度上均匀性的猜想,提出基体相变应变与纳米线弹性应变匹配的设计概念,并采用共晶相变和单向大变形获得了性能优异的金属纳米复合材料,首次实现了纳米线的本征优异力学性能在“大块材料”中得以继承,使大块材料兼具超大准线弹性应变、低弹性模量及高屈服强度,从而填补了传统三大类材料(金属、陶瓷及高分子材料)力学性能的空白区。研究结果对金属基复合材料、约束态纳米线力学研究领域具有促进作用。同时,基于该论文提出的原子尺度设计概念与同步辐射实验证实,有望赋予多种聚集态纳米线呈现超大弹性应变,进而使其吸附、催化、磁性及电子输运(超导)等化学与物理特性发生特异变化,对油气催化、光催化、磁学及电学研究领域具有重要意义。
该论文被《SCIENCE》期刊审稿人评价为“诸多方面的伟大工作 (a great work in many aspects),对材料科学具有重大而新颖的贡献(the article makes a significant and novel contribution to materials science)”。并且,美国著名科学家在同期《SCIENCE》撰文“采用设计获得优异性能(Exceptional Properties by Design)”对该论文进行了专题评论,并以副标题形式将该论文的学术意义概括为“预示着材料设计新时代的到来(heralds an era of new possibilities in materials design)”。
该论文共23名作者,其中前三位作者分别为中国石油大学郝世杰(博士生),崔立山(教师,责任作者),姜大强(青年教师);中国石油大学博士生署名作者还有姜江、刘镇洋、王珊、于存、史晓斌、杜敏疏,青年教师署名作者还有杨峰、郑雁军。主要合作单位为:北京工业大学、美国Argonne国家实验室、澳大利亚西澳大学、西安交通大学及麻省理工学院。
论文摘要:
自由态纳米线具有超大弹性应变极限(4%-7%)和超高屈服强度,但在复合材料中难以呈现其本征力学性能。我们基于相变应变与弹性应变的匹配概念,在相变基体中实现了纳米线的本征力学性能。通过对材料微观组织和残余应力的设计,以及Nb纳米线真弹性与NiTi形状记忆合金伪弹性之间的耦合,获得了一种具有大准线弹性应变(超过6%)、低杨氏模量(28GPa)、高的屈服强度(1.65GPa)的原位复合材料。我们提出的弹性应变匹配方法使纳米线优异的力学性能在大块材料中体现。