越冻越坚韧！这是什么材料？

审核专家：罗会仟

中国科学院物理研究所副研究员

坚韧，是我们从小听到大的一个词。坚即坚固，韧即柔韧，代表着一种面对危险灾难等外部挑战时坚定的精神与勇气。同时，在工程上，这一特性在有着强度的同时又不乏柔性，既有较强的抗变形能力又有良好的抗断裂能力，因此在工程领域材料的坚韧度是一个重要的指标。

来源｜pexels

但事实上，材料的坚固与延展性是很难兼容的，在工程的实施过程中，往往需要做出让步与妥协，在两者的重要性以及对于工程的适配性上仔细斟酌之后做出最优解。但就在最近，科学家发现了一种新型材料，并且测出了有史以来最高的坚韧度。接下来就让我们一起去看看这是一种怎么样的材料。

最坚韧的材料

近期国际权威杂志《科学》上由英美科学家刊发的一篇论文称，他们在研究由铬、钴和镍三种金属所组成的合金CrCoNi（铬钴镍合金）时，测得了迄今为止最强的韧性。并且该测试是在低温环境下进行的，因此该材料有望在低温领域（如航空航天领域）发挥重要作用。

来源｜science.org

本次实验借助了透射电子显微镜等高端技术，在低温20卡尔文下（即-253.15 ℃）对合金CrCoNi和另一种含有锰和铁的合金CrMnFeCoNi的起始断裂韧性进行了检测，CrCoNi合金显示出了高达495 MPa·m^1/2（兆帕乘以米的平方根）的韧性，随着断裂增加到2.25毫米时韧性反而增强到540 MPa·m^1/2，这说明该种材料断裂所需的能量非常之高。

显微镜图像显示了在20开尔文的应力测试期间，纳米级CrCoNi合金中断裂的路径和伴随的晶体结构变形

来源｜Robert Ritchie/Berkeley Lab

光看数据可能感觉不到什么，我们来找一些生活中的例子来做个比较，硅的韧性仅为1 MPa·m^1/2；用作飞机机身的铝，其韧性为35 MPa·m^1/2；一些性能最好的钢，其韧性也就是在100 MPa·m^1/2左右，仅为这种合金的五分之一。

韧性较强的高碳钢

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在通常情况下，材料的强度越高，韧性就会越低，坚硬的材料一般都会很脆。就比如钻石是目前最坚硬的物质之一，我们难以给钻石留下痕迹，但却可以将其压碎。但CrCoNi合金却不同寻常，它并不需要在两者之间进行取舍，它在强度越大的同时，韧性也会越强。

同时，它还有另外一点独特的地方，就是温度对于该材料的影响。一般情况下，材料在温度降低的时候，韧性也会随之降低变得更脆，抗断裂能力减弱。但CrCoNi合金材料在温度降低时，坚硬度和延展性都会提高而非减弱。

这些特性使得其有望在低温，寒冷的环境下发挥作用，例如太空中的航天器。在这些领域该合金有着无穷的潜力，但目前该材料的制作成本非常高，暂时无法推广使用。

晶格——强度和韧性的来源

想要知道这种合金为什么强度和韧性都超高，就需要先了解一个名为“晶体”的概念。它所指的是由大量微观粒子（如原子、离子、分子等）按照一定的规则所有序排列的结构，由于其结构粒子和作用力的不同分为原子晶体、分子晶体、离子晶体、金属晶体四种。

绿色的萤石晶体

来源｜维基百科

为了形象地表示出各种晶体中微观粒子的排布规律，我们可以把原子当成是一个个点，然后用线将这些点给连接起来，从而构成有规律的空间格子，这就是晶格。

氧化钠的晶体结构

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而决定一种材料强度与韧性的往往就是其晶格，在上面我们提到了四种晶体。它们的物理性质各有不同，这与它们的晶格息息相关。比如金属晶体，有着良好的延展性与机械强度，这与其晶格有着密切的关系，该类晶格由金属离子以及自由电子构成，金属离子和自由电子之间存在有较强的金属键，且金属键是没有方向性与饱和性的，这就使得金属晶格可以做到紧密堆积，因此金属的硬度一般都比较高。金属键越强，硬度也就越高。

当金属受到外力时，晶体的各层就会出现滑动的情况，但排列方式不变。此时在晶体之中自由移动的自由电子就可以起到一个润滑剂的作用，使其仍然可以保持这种相互作用而不易断裂，因此金属普遍具有良好的延展性。就比如CrCoNi合金在遭到形变时，结构就会发生变化，从而产生惊人的抗断裂能力。

扫描电子显微镜生成的图像显示了显示了在293K和20K下CrCoNi中的断裂

来源｜Robert Ritchie/Berkeley Lab

而硬度往往与晶格的空间结构，以及构成晶格的元素之间的键能有关。我们举个例子，石墨与金刚石都是碳原子所组成的，但石墨的硬度明显低于金刚石。我们可以看到，金刚石中的碳原子，在三个维度上排列都是比较紧密的。而石墨的排布只是一种层状结构，它在二维平面之上的强度还是比较高的，但在第三个维度却是非常脆弱。

金刚石晶格

来源｜维基百科

石墨的层状结构，是通过分子间作用力来连在一起的，这一作用力的强度远远低于金刚石碳原子之间的共价键。所以，一种材料的强度要高，那么它在每一个方向上都得有着较强的硬度，不能“偏科”，而是要做个“全才”。

石墨晶格

来源｜维基百科

随着研究的进展，我们也期待CrCoNi合金这种坚韧的新型材料在未来能够帮助人类在探寻星辰大海的旅程中走得更远。