利用纳米尺度共格界面强化材料

    如何提高材料的强度而不损失其塑性？这是众多材料科学家面临的一个重大挑战。近日，中科院金属所沈阳材料科学国家（联合）实验室研究员卢柯、卢磊与美国麻省理工学院教授S.Suresh合作完成了一种新的材料强化原理及途径 ，即利用纳米尺度共格界面强化材料，这种方法可使金属材料强化的同时提高韧塑性。4月17日出版的《科学》发表特邀综述论文，详细阐述了这项研究成果。    

    据了解，提高材料的强度是几个世纪以来材料研究的核心问题。而迄今为止强化材料的途径可分为四类：固溶强化、第二相弥散强化、加工（或应变）强化和晶粒细化强化。这些强化技术的实质是通过引入各种缺陷（点缺陷，线、面及体缺陷等）阻碍位错运动，使材料难以产生塑性变形而提高强度。但材料强化的同时往往伴随着塑性或韧性的急剧下降，造成高强度材料往往缺乏塑性和韧性，而高塑韧性材料的强度往往很低。长期以来，这种材料的强韧性“倒置关系”成为材料领域的重大科学难题和制约材料发展的重要瓶颈。    

    专家表示，传统的材料强化技术多利用普通非共格晶界或相界阻碍位错运动来提高强度。当材料中引入大量非共格晶界时，强度显著提高（如纳米晶体材料的强度较粗晶体材料高一个数量级），但随着位错运动“阻碍物”（即非共格晶界）的不断增多，晶格位错运动受到严重阻碍甚至被完全抑制而不能协调塑性变形，因此材料变脆。    

    卢柯等人研究发现，纳米尺度孪晶界面具备强化界面的三个基本结构特征：（1）界面与基体之间具有晶体学共格关系；（2）界面具有良好的热稳定性和机械稳定性；（3）界面特征尺寸在纳米量级（<100nm）。他们利用脉冲电解沉积技术成功地在纯铜样品中制备出具有高密度纳米尺度的孪晶结构（孪晶层片厚度<100nm）。发现随孪晶层片厚度减小，样品的强度和拉伸塑性同步显著提高。当层片厚度为15nm时，拉伸屈服强度接近1.0GPa（是普通粗晶Cu的10倍以上），拉伸均匀延伸率可达13%。显然，这种使强度和塑性同步提高的纳米孪晶强化与其他传统强化技术截然不同。理论分析和分子动力学模拟表明，高密度孪晶材料表现出的超高强度和高塑性源于纳米尺度孪晶界与位错的独特相互作用。同时，利用纳米尺度孪晶不但使金属材料强化，还提高了其韧塑性。    

    据了解，材料中纳米尺度孪晶界可以通过多种制备技术获得。研究表明，沉积速率越快形成的孪晶层片越薄。塑性变形诱发的孪晶在中低层错能材料（如Cu、Cu合金及不锈钢等）十分普遍，提高应变速率或降低变形温度等均有助于孪晶形成。     

    卢柯表示，近期发展的动态塑性变形（DPD）技术可使材料中形成大量的纳米尺度孪晶界，已成为制备块状纳米孪晶结构的有效途径。利用纳米尺度共格晶界强化材料还可以带来优异的电学性能。研究表明，超高强度纳米孪晶Cu样品具有与无氧高纯铜相当的高电导率，可同时实现高强度高导电性。纳米孪晶结构可有效降低Cu中电致原子的扩散迁移率，从而大大降低电迁移效应，这为减少微电子器件中铜线的电迁移损伤找到了新的解决途径。也有学者发现纳米孪晶结构可有效提高材料的阻尼性能，为研发高性能阻尼材料开辟了新途径。    

    中科院金属所的科研人员表示，利用纳米尺度共格界面强化材料已成为一种提高材料综合性能的新途径。尽管在纳米尺度共格界面的制备技术、控制生长及各种理化性能、力学性能和使役行为探索等方面仍然存在诸多挑战，但这种新的强化途径在提高工程材料综合性能方面表现出巨大的发展潜力和广阔的应用前景。