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(xué)家面臨的一個重大挑戰(zhàn)。近日，中科院金屬所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實驗室研究員盧柯、盧磊與美國麻省理工學(xué)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(xué)》發(fā)表特邀綜述論文，詳細(xì)闡述了這項研究成果。
據(jù)了解，提高材料的強度是幾個世紀(jì)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(yīng)變）強化和晶粒細(xì)化強化。這些強化技術(shù)的實質(zhì)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(chǎn)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(guān)系”成為材料領(lǐng)域的重大科學(xué)難題和制約材料發(fā)展的重要瓶頸。
專家表示，傳統(tǒng)的材料強化技術(shù)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(dāng)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(shù)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(yán)重阻礙甚至被完全抑制而不能協(xié)調(diào)塑性變形，因此材料變脆。
盧柯等人研究發(fā)現(xiàn)，納米尺度孿晶界面具備強化界面的三個基本結(jié)構(gòu)特征：（1）界面與基體之間具有晶體學(xué)共格關(guān)系；（2）界面具有良好的熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)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(shù)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(jié)構(gòu)（孿晶層片厚度<100nm）。發(fā)現(xiàn)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(dāng)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(tǒng)強化技術(shù)截然不同。理論分析和分子動力學(xué)模擬表明，高密度孿晶材料表現(xiàn)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(jù)了解，材料中納米尺度孿晶界可以通過多種制備技術(shù)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(fā)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(yīng)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(fā)展的動態(tài)塑性變形（DPD）技術(shù)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(jié)構(gòu)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(yōu)異的電學(xué)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(dāng)?shù)母唠妼?dǎo)率，可同時實現(xiàn)高強度高導(dǎo)電性。納米孿晶結(jié)構(gòu)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(yīng)，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(xué)者發(fā)現(xiàn)納米孿晶結(jié)構(gòu)可有效提高材料的阻尼性能，為研發(fā)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(shù)、控制生長及各種理化性能、力學(xué)性能和使役行為探索等方面仍然存在諸多挑戰(zhàn)，但這種新的強化途徑在提高工程材料綜合性能方面表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景。（柯新瑋）
