奈米級調控：打造抗高速衝擊的超強合金

由康乃爾大學主導的一項跨領域研究，開發出一種全新的金屬與合金設計方法，能夠有效抵禦極端衝擊。研究團隊透過引入奈米級的「減速帶」，成功抑制了控制金屬材料變形的關鍵轉變機制。這項研究成果於3月5日發表在《通訊材料》期刊上，未來可望應用於汽車、飛機及裝甲等領域，提升其承受高速衝擊、極端高溫與壓力的能力。

該計畫由康乃爾大學機械與航空工程學院及材料科學與工程系的助理教授Mostafa Hassani主導，並與美國陸軍研究實驗室（ARL）的研究人員合作進行。論文的第一作者分別是博士生Qi Tang與博士後研究員Jianxiong Li。

當金屬材料遭遇極高速衝擊時（例如高速公路車禍或彈道撞擊），材料會立即斷裂失效。這種失效現象源於「脆化」——材料在快速變形時失去延展性（即彎曲而不斷裂的能力）。然而，脆化過程具有不確定性：若以緩慢速度彎曲相同材料，它會變形但不會立即斷裂。

金屬的延展性來自於晶體結構中的微小缺陷（即位錯），這些缺陷會在晶粒間移動，直到遇到障礙物。在快速且極端的應變下，位錯會加速至每秒數公里的速度，並與晶格振動（聲子）相互作用，產生巨大的阻力。此時，材料會發生一個關鍵轉變——從熱啟用滑移轉變為彈道傳輸，導致顯著的拖曳力，最終引發脆化。

Hassani解釋道：「我們希望金屬材料能夠吸收能量，而變形或延展性正是吸收能量的機制之一。透過抑制位錯的彈道傳輸，進而防止脆化，我們讓合金即使在高速變形（如衝擊或震動條件下）也能保持延展性。為此，我們將位錯的運動限制在奈米尺度內。」

研究團隊與ARL合作，開發出一種奈米晶合金——銅鉭合金（Cu-3Ta）。奈米晶銅的晶粒極小，位錯的運動自然受限，而晶粒內部的奈米級鉭簇更進一步限制了位錯的移動。

為測試這種材料，Hassani的實驗室使用了一臺自製的桌面平臺，透過雷射脈衝發射直徑10微米的球形微彈丸，速度可達每秒1公里，比飛機還快。微彈丸擊中目標材料後，高速攝影機記錄下衝擊過程。研究人員分別以純銅和銅鉭合金進行實驗，並以較慢速度重複測試，逐步將球形尖端壓入基材中。

然而，最大的挑戰在於資料分析。關鍵在於追蹤每次衝擊與壓痕所消耗的能量。Tang與Li開發了一套理論框架，區分低速率下的熱啟用與高速率下的彈道傳輸兩種機制的貢獻。

在傳統金屬或合金中，位錯可以移動數十微米而不受任何阻礙。但在奈米晶銅鉭合金中，位錯僅能移動幾奈米（比微米小1000倍）就被阻擋，脆化現象因此被有效抑制。

Hassani表示：「這是我們首次在如此高速率下觀察到這種行為。目前我們只研究了一種微結構與成分，未來是否能透過調整成分與微結構來控制位錯-聲子拖曳？我們能否預測位錯-聲子相互作用的程度？」

論文的共同作者還包括ARL的Billy Hornbuckle、Anit Giri與Kristopher Darling。