“水滴”来了？中国科学家突破金属材料强度极限逼近理论极限

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2025-11-15 13:05:59 科学声音

从科幻到现实：“水滴”的启示

“水滴”来了？中国科学家突破金属材料强度极限

在科幻小说《三体》中，三体人的探测器“水滴”以30公里/秒的速度冲向人类舰队，仅通过撞击就摧毁了2000艘战舰。这一情节展示了材料科学的极限想象，成为科技水平代差的象征。现实中，推动可控核聚变发展的哈氏合金、推动航天发展的石墨烯基碳纤维、以及推动生物医疗行业发展的类弹性蛋白凝胶，都是材料科学的重要成果。具有计算能力的芯片也是一种微观结构的纳米材料。这些例子说明了材料科学的重要性。

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那么，我们能否造出像“水滴”飞行器那样的超强金属外壳？金属强度的理论上限在哪里？如何逼近这一极限？2025年11月6日，《科学》杂志发表了一项由中国科学院金属研究所科学家们完成的研究，他们实现了镍基合金强度逼近理论极限的重大突破，未来应用前景广阔。

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理解金属的“脾气”：一个直观的模型

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为了更好地理解这项成果，我们需要先了解金属的一些基本特性。例如，一块纯铁条可以轻易弯曲，但经过淬火处理后，它就能变成一把坚硬锋利的剑。这背后的微观原理可以通过一个模型来解释。

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假设把许多玻璃球装进一个盒子，让它们致密地堆叠起来，然后用橡皮泥填充玻璃球之间的缝隙。这个模型代表了金属原子和自由电子。当施加外力时，玻璃球之间会发生滑动，表现出金属的韧性和延展性。

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淬火过程中，金属原子能量增加，晶格结构被打破。突然冷却后，形成许多不规则的小结构，阻止了玻璃球之间的滑动，使金属变得坚硬并产生弹性。这种小结构越多，金属就越强。

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除了强度，金属还有刚度这一指标。刚度相当于橡皮泥本身的硬度。几年前某知名品牌菜刀拍蒜断裂事件，反映了金属的韧性问题。在我们的模型中，橡皮泥如果容易开裂，宏观上表现为脆性；如果可以稍微拉伸再恢复原状，则表现为韧性。

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传统强化的瓶颈与全新突破

金属的强度与内部位错有关。位错是金属内部排列错误，导致原子滑移。传统强化方法通过制造纳米级小结构来阻止位错移动。然而，当这些小结构小于15纳米时，材料反而变软。

中科院科学家提出并实现了一种新的纳米负能界面策略。这种界面比传统晶界更稳定，能量更低。通过精妙的电化学沉积结合非晶晶化工艺，金属原子在纳米尺度上形成了两种不同结构的完美交替堆垛，增强了材料的稳定性。

触摸理论强度极限：奇迹般的性能

这种新材料的强度达到了5.08GPa，意味着需要在1平方厘米的面积上施加超过50吨的压力才能使其永久变形。同时，其刚度也大幅提升至254.5GPa，比不锈钢高25%以上，是钛合金的两倍多。

理论上，材料的强度极限相当于没有任何位错的完美晶体。这次研究通过构筑负能界面几乎锁死了所有位错的移动，并强化了电子排布，使材料强度接近理论极限。这项研究不仅创造了超强合金，还揭示了调控原子键合状态的新原理，未来将有更多工程学奇迹出现。

(责任编辑：zx0001)

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