在高温环境下，金属间合金可能强度很高，但是在室温和低温环境中，其延展性就会很差，限制其应用于航空航天和其他工程领域。不过，据外媒报道，中国香港城市大学（City University of Hong Kong）领导的一个研究小组最近发现，在有序金属间合金晶界处存在无序的纳米层。此类纳米层不仅能够有效解决强度和延展性之间的矛盾，还能够在高温条件下，让合金保持强度以及良好的热稳定性。设计类似的纳米层有可能为设计出具有最佳合金性能的新型结构材料开辟一条道路。
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（图片来源：香港城市大学）
与金属一样，金属间合金的内部结构由称为“晶粒”的单晶体构成。金属间合金通常很脆，源于在拉伸变形时，会沿着晶界出现裂纹。在金属间合金中加入硼元素是克服其脆性的传统方法之一。研究人员之一的刘教授在30年前发现，在二元金属间合金（由两种元素构成）中加入硼，可以增强晶界内聚性，从而提升整体的延展性。
近年来，刘教授在研发大块金属间合金（也称为超晶格合金，具有长程原子紧密排列的有序结构）方面也取得了许多重大进展。此类材料的强度很高，可应用于高温结构应用，但在室温条件下通常非常脆以及晶粒会快速粗化（即晶粒尺寸增长），而在高温下晶粒又会快速软化。在此次研究中，刘教授和他的团队在多元素金属间合金中研发了新型“界面纳米无序化”策略，使其在室温下具有高强度、高延展度以及在高温下具有极佳的热稳定性。
另一名研究人员表示：“最开始，我们试图通过优化硼的含量来提高晶界的内聚性，并且预计，当增加硼的含量时，合金会由于其多元素成分而保持超高强度。”
根据传统观点，加入微量（0.1至0.5%）硼原子可增加晶界内聚性，显著提高合金的拉伸延展性。但当加入过量的硼时，此种方法就不会有效果了。
令研究小组惊讶的是，当硼的浓度高达1.5%至2.5%时，掺杂了硼的合金变得非常坚固，但是延展性很好。实验结果证明，含量为2%左右的硼对金属间合金有很好的作用，让其在室温下的屈服强度高达1.6兆帕，延展性达25%。
该研究小组采用不同的透射电子显微镜进行研究发现，当硼的浓度达到1.5%至2.5%，相邻有序晶粒之间形成了独特的纳米层。每个晶粒都被大约5纳米厚的超薄纳米层包裹，而且纳米层本身就有无序的原子结构。在拉伸试验中，纳米层作为相邻晶粒之间的缓冲带，让晶界发生塑性变形，从而在超高屈服强度下实现了较大的拉伸延展性。
该研究小组发现，硼含量的增加进一步增强了“多元素共分离”（multi-element co-segregation）现象，即多种元素沿着晶界分界。在香港城市大学先进3D原子探针层析成像技术的帮助下，研究人员在纳米层中观察到高浓度的硼、铁和钴原子。相比之下，镍、铝和钛基本都被耗尽了。因此，此种独特的元素分界导致纳米层内部出现纳米级无序化，有效抑制了沿着晶界产生的裂缝，提升了合金的延展性。
此外，在评估合金的热响应能力时，该研究小组发现即使在1050°C的高温下退火120个小时后，晶粒增加的尺寸也可忽略不计。这一点让研究小组特别惊讶，因为大多数结构材料在高温下，其晶粒尺寸通常都会快速增长，导致强度迅速下降。
研究人员认为，在纳米层抑制晶粒尺寸增长以及保证其在高温下的强度非常关键，无序纳米层的热稳定性可让合金适合高温结构应用。
刘教授表示：“在此种合金中发现无序纳米层将对未来高强度材料的发展产生重大影响。而且，此种方法可用于高温环境下的结构材料，如航空航天、汽车、核能和化学工程等领域的结构材料。”
