利用納米尺度共格界面強化材料
如何提高材料的強度而不損失其塑性？這是眾多材料科學家面臨的一個重大挑戰。近日，中科院金屬所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室研究員盧柯、盧磊與美國麻省理工學院教授S.Suresh合作完成了一種新的材料強化原理及途徑 ，即利用納米尺度共格界面強化材料，這種方法可使金屬材料強化的同時提高韌塑性。4月17日出版的《科學》發表特邀綜述論文，詳細闡述了這項研究成果。
據了解，提高材料的強度是幾個世紀以來材料研究的核心問題。而迄今為止強化材料的途徑可分為四類：固溶強化、第二相彌散強化、加工（或應變）強化和晶粒細化強化。這些強化技術的實質是通過引入各種缺陷（點缺陷，線、面及體缺陷等）阻礙位錯運動，使材料難以產生塑性變形而提高強度。但材料強化的同時往往伴隨著塑性或韌性的急劇下降，造成高強度材料往往缺乏塑性和韌性，而高塑韌性材料的強度往往很低。長期以來，這種材料的強韌性“倒置關系”成為材料領域的重大科學難題和制約材料發展的重要瓶頸。
專家表示，傳統的材料強化技術多利用普通非共格晶界或相界阻礙位錯運動來提高強度。當材料中引入大量非共格晶界時，強度顯著提高（如納米晶體材料的強度較粗晶體材料高一個數量級），但隨著位錯運動“阻礙物”（即非共格晶界）的不斷增多，晶格位錯運動受到嚴重阻礙甚至被完全抑制而不能協調塑性變形，因此材料變脆。
盧柯等人研究發現，納米尺度孿晶界面具備強化界面的三個基本結構特征：（1）界面與基體之間具有晶體學共格關系；（2）界面具有良好的熱穩定性和機械穩定性；（3）界面特征尺寸在納米量級（<100nm）。他們利用脈沖電解沉積技術成功地在純銅樣品中制備出具有高密度納米尺度的孿晶結構（孿晶層片厚度<100nm）。發現隨孿晶層片厚度減小，樣品的強度和拉伸塑性同步顯著提高。當層片厚度為15nm時，拉伸屈服強度接近1.0GPa（是普通粗晶Cu的10倍以上），拉伸均勻延伸率可達13%。顯然，這種使強度和塑性同步提高的納米孿晶強化與其他傳統強化技術截然不同。理論分析和分子動力學模擬表明，高密度孿晶材料表現出的超高強度和高塑性源于納米尺度孿晶界與位錯的獨特相互作用。同時，利用納米尺度孿晶不但使金屬材料強化，還提高了其韌塑性。
據了解，材料中納米尺度孿晶界可以通過多種制備技術獲得。研究表明，沉積速率越快形成的孿晶層片越薄。塑性變形誘發的孿晶在中低層錯能材料（如Cu、Cu合金及不銹鋼等）十分普遍，提高應變速率或降低變形溫度等均有助于孿晶形成。
盧柯表示，近期發展的動態塑性變形（DPD）技術可使材料中形成大量的納米尺度孿晶界，已成為制備塊狀納米孿晶結構的有效途徑。利用納米尺度共格晶界強化材料還可以帶來優異的電學性能。研究表明，超高強度納米孿晶Cu樣品具有與無氧高純銅相當的高電導率，可同時實現高強度高導電性。納米孿晶結構可有效降低Cu中電致原子的擴散遷移率，從而大大降低電遷移效應，這為減少微電子器件中銅線的電遷移損傷找到了新的解決途徑。也有學者發現納米孿晶結構可有效提高材料的阻尼性能，為研發高性能阻尼材料開辟了新途徑。
中科院金屬所的科研人員表示，利用納米尺度共格界面強化材料已成為一種提高材料綜合性能的新途徑。盡管在納米尺度共格界面的制備技術、控制生長及各種理化性能、力學性能和使役行為探索等方面仍然存在諸多挑戰，但這種新的強化途徑在提高工程材料綜合性能方面表現出巨大的發展潛力和廣闊的應用前景。（柯新瑋）
