钴锇钽硼金属玻璃的超高动态强度微弹道冲击性能研究

　　为解决超高速冲击防护材料性能瓶颈问题，中国科学院研究人员系统研究了新型Co33 Os20 Ta10 B37 金属玻璃（MG）的动态力学行为。通过平板冲击实验测得19 GPa的Hugoniot弹性极限（HEL），创金属材料纪录；激光诱导微粒冲击测试（LIPIT）证实其对SiO2 微粒冲击具有高回弹系数（COR）和零弹坑形成的优异防护性能，为航天装甲、发动机涂层等极端工况防护提供新材料解决方案。

　　

在航天器防护、军用装甲等极端工况领域，材料如何抵御超高速微粒子冲击一直是重大技术挑战。传统金属材料因晶体结构缺陷，其Hugoniot弹性极限（HEL）普遍低于12 GPa，导致防护效能受限。金属玻璃（MG）虽具有非晶结构优势，但现有Zr基、Fe基MG的HEL最高仅达12 GPa，难以满足日益提升的防护需求。

针对这一瓶颈，中国科学院团队选择具有原子级均匀结构的Co₃₃
Os₂₀
Ta₁₀
B₃₇
金属玻璃开展研究。通过平板冲击实验与激光诱导微粒冲击测试（LIPIT）相结合的策略，首次系统评估了该材料在动态载荷下的力学响应。研究发现其HEL突破至19 GPa，较传统金属提高58%，动态强度达6.9±0.3 GPa。在SiO₂
微粒（速度约500-1000 m/s）冲击实验中，材料表现出0.7-0.8的高回弹系数（COR），且表面无弹坑形成，冲击模式比率（ rebound-fracture transition velocity）显著低于同类材料。

材料与方法
研究采用电弧熔炼-铜模吸铸法制备块体MG，X射线衍射（XRD）确认非晶结构。通过差示扫描量热法（DSC）分析热稳定性。平板冲击实验使用气炮加载系统测量应力波传播，LIPIT平台以Nd:YAG激光驱动3-5 μm SiO₂
微粒实施微弹道冲击。

结果与讨论
应力-粒子速度（σ-u_p
）曲线揭示材料在冲击波作用下的三阶段响应：弹性变形、塑性流动与卸载。19 GPa的HEL值源于Ta、Os元素对剪切带形成的抑制作用。LIPIT数据显示，微粒动能90%以上被弹性耗散，表面纳米压痕硬度（11.2 GPa）与动态强度呈正相关。

结论
该研究创下金属材料HEL新纪录，证实Co₃₃
Os₂₀
Ta₁₀
B₃₇
MG通过独特的非晶结构实现动能高效耗散，为设计新一代空间碎片防护系统、高抗损发动机叶片涂层提供了材料基础。论文发表于《Extreme Mechanics Letters》，获国家自然科学基金（12125206）等资助。