壽命暴增10倍！陸科學家提出「梯度奈米結構」 破解金屬疲勞百年魔咒

中國科學家日前破解了金屬材料在長期使用過程中產生的疲勞失效問題，根據上周五 (4 日) 刊登於國際權威期刊《Nature Materials》的最新研究論文，中國科學院金屬研究所盧磊團隊和美國喬治亞理工學院科研團隊成功研發出新型抗疲勞金屬材料，能讓金屬材料的疲勞壽命提升 10 倍以上，這代表金屬材料在使用過程中因疲勞產生斷裂的風險被大大降低，為眾多行業帶來新希望。

金屬疲勞指的是金屬在迴圈應力的作用下，內部會產生微裂紋，並且這些裂紋會逐漸擴展，就像身體內的病症慢慢惡化，直到最終斷裂，這是一個極其危險的過程，稱為「棘輪損傷」。

根據權威數據，全球每年因金屬疲勞引發的機械故障所造成的損失超過 3000 億美元。

在金屬材料的世界裡，有一個「不可能三角」，也就是強度、塑性和穩定性這三種特性往往難以兼得，但這項最新突破打破這一規律。

在航空航太、跨海大橋等運行中，金屬材料長期使用中的疲勞失效是急需解決的隱形殺手。為解決「棘輪損傷」這一難題，科學家們提出一種全新的結構設計思路，就像「擰麻花」一樣，在金屬材料內植入亞微米尺度的三維「防撞牆」。

中國科學院金屬所研究員盧磊說：「經過上千萬次拉壓變形後，它自己會在內部產生更多的小的『骨架』，這個『骨架』可以小到幾個奈米，兩到三個奈米，然後密密麻麻的，這些『骨架』在變形的時候既可以來吸收你的變形的功，又可以來阻礙你的這種變形的外力。正常情況下，迴圈到一定程度這個金屬就斷了，但它的壽命比傳統的金屬要提高好幾個數量級。」

這一梯度奈米結構的創新設計就像是在金屬內部構建一個精密的防禦體系，透過在金屬內部形成奈米級的晶粒梯度，當裂紋產生並試圖擴展時，會發現前方的路徑非常扭曲，大大延緩了裂紋擴展的速度。傳統鋁合金疲勞壽命大概在 100 萬次迴圈，而採用這種設計的新型材料疲勞壽命能達到 1200 萬次。

更令人驚嘆的是，上述新技術的原位自修復機制，使得材料中的稀土元素在裂紋萌發階段觸發化學反應，生成 CeO₂保護膜。在航空軸承測試中，該機制使裂紋擴展速度降低 70%，相當於為金屬部件裝上「智慧 OK 蹦」。

這項技術也將在四大關鍵領域實現突破性應用。在航空航太領域，飛機起落架壽命從 2 萬次起降躍升至 15 萬次，檢修頻率減少 90%；軌道交通方面，高鐵車輪抗疲勞性能提升 8 倍，輪軌更換成本降低 40%；能源設備領域，風電機壽命突破 20 年，海上風電維護成本下降 60%；醫療設備領域，人工關節金屬零件壽命達 50 年，徹底消除二次手術風險。

不過，這項金屬材料最新成果也面臨著挑戰。首先，成本居高不下，新型鋁合金的成本是傳統材料的 3 倍，主要因為稀土元素提純困難和奈米加工工藝複雜。其次，規模化生產也不容易，梯度結構需要超精密軋制設備，目前中國僅 3 家企業具備量產能力。此外，國際標準滯後也是一大問題，現有的疲勞測試標準無法與新材料特性完美適配，急需建立新的評估體系。