審核專(zhuān)家：羅會(huì)仟
中國(guó)科學(xué)院物理研究所副研究員

堅(jiān)韌，是我們從小聽(tīng)到大的一個(gè)詞。堅(jiān)即堅(jiān)固，韌即柔韌，代表著一種面對(duì)危險(xiǎn)災(zāi)難等外部挑戰(zhàn)時(shí)堅(jiān)定的精神與勇氣。同時(shí)，在工程上，這一特性在有著強(qiáng)度的同時(shí)又不乏柔性，既有較強(qiáng)的抗變形能力又有良好的抗斷裂能力，因此在工程領(lǐng)域材料的堅(jiān)韌度是一個(gè)重要的指標(biāo)。

但事實(shí)上，材料的堅(jiān)固與延展性是很難兼容的，在工程的實(shí)施過(guò)程中，往往需要做出讓步與妥協(xié)，在兩者的重要性以及對(duì)于工程的適配性上仔細(xì)斟酌之后做出最優(yōu)解。但就在最近，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種新型材料，并且測(cè)出了有史以來(lái)最高的堅(jiān)韌度。接下來(lái)就讓我們一起去看看這是一種怎么樣的材料。

最堅(jiān)韌的材料

近期國(guó)際權(quán)威雜志《科學(xué)》上由英美科學(xué)家刊發(fā)的一篇論文稱(chēng)，他們?cè)谘芯坑摄t、鈷和鎳三種金屬所組成的合金CrCoNi（鉻鈷鎳合金）時(shí)，測(cè)得了迄今為止最強(qiáng)的韌性。并且該測(cè)試是在低溫環(huán)境下進(jìn)行的，因此該材料有望在低溫領(lǐng)域（如航空航天領(lǐng)域）發(fā)揮重要作用。

本次實(shí)驗(yàn)借助了透射電子顯微鏡等高端技術(shù)，在低溫20卡爾文下（即-253.15?℃）對(duì)合金CrCoNi和另一種含有錳和鐵的合金CrMnFeCoNi的起始斷裂韌性進(jìn)行了檢測(cè)，CrCoNi合金顯示出了高達(dá)495 MPa·m^1/2（兆帕乘以米的平方根）的韌性，隨著斷裂增加到2.25毫米時(shí)韌性反而增強(qiáng)到540 MPa·m^1/2，這說(shuō)明該種材料斷裂所需的能量非常之高。

光看數(shù)據(jù)可能感覺(jué)不到什么，我們來(lái)找一些生活中的例子來(lái)做個(gè)比較，硅的韌性?xún)H為1 MPa·m^1/2；用作飛機(jī)機(jī)身的鋁，其韌性為35 MPa·m^1/2；一些性能最好的鋼，其韌性也就是在100 MPa·m^1/2左右，僅為這種合金的五分之一。

在通常情況下，材料的強(qiáng)度越高，韌性就會(huì)越低，堅(jiān)硬的材料一般都會(huì)很脆。就比如鉆石是目前最堅(jiān)硬的物質(zhì)之一，我們難以給鉆石留下痕跡，但卻可以將其壓碎。但CrCoNi合金卻不同尋常，它并不需要在兩者之間進(jìn)行取舍，它在強(qiáng)度越大的同時(shí)，韌性也會(huì)越強(qiáng)。

同時(shí)，它還有另外一點(diǎn)獨(dú)特的地方，就是溫度對(duì)于該材料的影響。一般情況下，材料在溫度降低的時(shí)候，韌性也會(huì)隨之降低變得更脆，抗斷裂能力減弱。但CrCoNi合金材料在溫度降低時(shí)，堅(jiān)硬度和延展性都會(huì)提高而非減弱。

這些特性使得其有望在低溫，寒冷的環(huán)境下發(fā)揮作用，例如太空中的航天器。在這些領(lǐng)域該合金有著無(wú)窮的潛力，但目前該材料的制作成本非常高，暫時(shí)無(wú)法推廣使用。

晶格——強(qiáng)度和韌性的來(lái)源

想要知道這種合金為什么強(qiáng)度和韌性都超高，就需要先了解一個(gè)名為“晶體”的概念。它所指的是由大量微觀粒子（如原子、離子、分子等）按照一定的規(guī)則所有序排列的結(jié)構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)粒子和作用力的不同分為原子晶體、分子晶體、離子晶體、金屬晶體四種。

為了形象地表示出各種晶體中微觀粒子的排布規(guī)律，我們可以把原子當(dāng)成是一個(gè)個(gè)點(diǎn)，然后用線(xiàn)將這些點(diǎn)給連接起來(lái)，從而構(gòu)成有規(guī)律的空間格子，這就是晶格。

而決定一種材料強(qiáng)度與韌性的往往就是其晶格，在上面我們提到了四種晶體。它們的物理性質(zhì)各有不同，這與它們的晶格息息相關(guān)。比如金屬晶體，有著良好的延展性與機(jī)械強(qiáng)度，這與其晶格有著密切的關(guān)系，該類(lèi)晶格由金屬離子以及自由電子構(gòu)成，金屬離子和自由電子之間存在有較強(qiáng)的金屬鍵，且金屬鍵是沒(méi)有方向性與飽和性的，這就使得金屬晶格可以做到緊密堆積，因此金屬的硬度一般都比較高。金屬鍵越強(qiáng)，硬度也就越高。

當(dāng)金屬受到外力時(shí)，晶體的各層就會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)的情況，但排列方式不變。此時(shí)在晶體之中自由移動(dòng)的自由電子就可以起到一個(gè)潤(rùn)滑劑的作用，使其仍然可以保持這種相互作用而不易斷裂，因此金屬普遍具有良好的延展性。就比如CrCoNi合金在遭到形變時(shí)，結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生驚人的抗斷裂能力。

而硬度往往與晶格的空間結(jié)構(gòu)，以及構(gòu)成晶格的元素之間的鍵能有關(guān)。我們舉個(gè)例子，石墨與金剛石都是碳原子所組成的，但石墨的硬度明顯低于金剛石。我們可以看到，金剛石中的碳原子，在三個(gè)維度上排列都是比較緊密的。而石墨的排布只是一種層狀結(jié)構(gòu)，它在二維平面之上的強(qiáng)度還是比較高的，但在第三個(gè)維度卻是非常脆弱。

石墨的層狀結(jié)構(gòu)，是通過(guò)分子間作用力來(lái)連在一起的，這一作用力的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于金剛石碳原子之間的共價(jià)鍵。所以，一種材料的強(qiáng)度要高，那么它在每一個(gè)方向上都得有著較強(qiáng)的硬度，不能“偏科”，而是要做個(gè)“全才”。

隨著研究的進(jìn)展，我們也期待CrCoNi合金這種堅(jiān)韌的新型材料在未來(lái)能夠幫助人類(lèi)在探尋星辰大海的旅程中走得更遠(yuǎn)。