武大AM：液态金属“溶”出67.8 GPa超高强度单晶铼，并可承受80%形变！

2025-11-17 17:34:32 作者：材料强化与防护来源：材料强化与防护分享至：

铼（Re），元素周期表第六周期第7族过渡金属元素，是典型的难熔金属且在地球上含量极为稀少，在地球演化过程不形成或极少形成独立矿物，而是以类质同象的方式赋存在其他矿物中，属于典型的稀散元素，但恰恰Re在理论上具有极高的强度和高温稳定性，对于高端装备的部件，例如火箭喷管、航空推进部件而言是理想的候选材料。然而，传统制备铼或其他难熔金属纳米结构的方法往往难以避免位错、晶界，污染或氧化，形貌不规则，导致应力集中等。

这些缺陷会显著削弱其机械性能，使其实际强度远达不到其理论极限，因此，获得真正高质量、无缺陷、可控形貌的难熔金属单晶纳米结构，是困扰很多金属材料学家的问题。2025年10月29日，武汉大学以刘泽教授、曾梦琪教授和付磊教授为通讯作者，在材料领域的权威期刊《Advanced Materials》在线发表了题为“Liquid Metal Solvent Synthesis of Single‐Crystal Rhenium Nanoparticles with Ultrahigh Strength and Plasticity”的最新研究工作。在该论文中团队提出了一种基于液态金属Ga的溶剂重构策略，实现了高对称形貌且接近无缺陷的单晶铼纳米颗粒制备，并首次测得高达67.8 GPa的金属强度纪录，同时仍保持高达约80%的塑性变形能力而不破裂，这意味着，该材料不仅“硬得史无前例”，而且“还能拉、能压、能形变而不断”，可直接面向航空航天极端结构、推进喷口、耐烧蚀部件等苛刻服役环境。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202505739

【核心内容】

研究团队利用液态金属Ga作为溶剂介质，通过先合成ReGa₅金属间化合物，再经过碳热快速退火和快速冷却，使Ga脱离并促使Re原子自组织重排形成单晶。液态Ga提供了一个氧气隔绝、金属键松弛、并具有高原子扩散速率的环境，使Re可以以近乎“自由重建”的方式实现能量最低构型。最终形成的铼纳米颗粒呈现符合 Wulff 构型的高度对称多面体形貌，内部几乎看不到缺陷和晶界，真正意义上实现了纳米尺度“完美晶体”的构建。

【研究方法】

研究者首先通过固相反应获得ReGa₅金属间化合物，再将其置于碳热冲击系统中在短时间内加热至高温，并迅速冷却，使Ga进入液态并被分离，Re则在液相环境中快速重排成单晶纳米颗粒。随后通过XRD、STEM、SAED、HAADF-STEM和EDS等手段对晶体结构、成分均匀性及晶体完整性进行系统验证，确认颗粒具有清晰的晶格结构、无表面氧化，以及完整的单晶特征。此外，通过原位SEM纳米压缩实验，获取颗粒在不同尺寸下的应力–应变响应，并结合分子动力学模拟分析其变形机制，解释其高强度与高塑性的来源。

液态金属溶剂诱导Re原子自重排，实现单晶难熔金属纳米颗粒的可控合成

【研究成果】

① 实现高对称形貌的完美单晶结构

液态金属环境中大量自由电子削弱了Re–Re金属键，使Re原子能够在较低温度下快速扩散与重组，从而生长为接近Wulff构型的能量最低形貌，其晶体结构完全匹配标准Re，无杂质相生成，整个颗粒内部晶格连续且无结构破损，同时成分纯净，未出现表面氧化或杂质包覆，呈现清晰规则的晶格条纹，是真正意义上的单晶而非多晶聚合体。

多尺度结构表征证实所得Re纳米颗粒具有高度对称形貌与无缺陷单晶结构

② 刷新金属材料强度纪录，最大强度达 67.8 GPa

在原位SEM压缩实验中，单晶Re纳米颗粒表现出远超传统金属体系的强度，尺寸约为128 nm的颗粒，其压缩强度高达67.8 GPa，已接近Frenkel模型预测的理论强度上限，这一强度值不仅远高于先进结构材料，甚至超过纳米金刚石等体系，真正意义上刷新了金属强度天花板。更为重要的是，单晶铼纳米颗粒在压缩时并未像常规高强材料那样发生脆性断裂，颗粒逐渐被压扁成“薄饼形”结构，但并未出现裂纹或崩解，在承受高应力加载后仍可实现约80%的可恢复塑性变形，表现出极高延展性与构形保持能力。

单晶Re纳米颗粒表现出超越金属极限的高强度与高塑性协同变形能力

③ 变形以位错滑移为主，形貌高对称性有效抑制脆性失效

团队结合原子级STEM表征与分子动力学模拟，对变形后结构进行了机制解析，变形后结构内部未观察到晶界迁移或孪晶形成，而是以位错产生、滑移和向表面逸出为主要塑性机制，这一过程避免了位错堆积引发的应力集中，从而消除了常见的脆性断裂模式，模拟结果显示，高对称Wulff形貌能够使应力在颗粒内部均匀分布，显著降低局部破坏风险；若将颗粒形貌替换为低对称柱体，则应力集中导致快速失稳断裂。