利用納米尺度共格界面強(qiáng)化材料
如何提高材料的強(qiáng)度而不損失其塑性？這是眾多材料科學(xué)家面臨的一個(gè)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)化原理及途徑 ，即利用納米尺度共格界面強(qiáng)化材料，這種方法可使金屬材料強(qiáng)化的同時(shí)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(xiàng)研究成果。
據(jù)了解，提高材料的強(qiáng)度是幾個(gè)世紀(jì)以來材料研究的核心問題。而迄今為止強(qiáng)化材料的途徑可分為四類：固溶強(qiáng)化、第二相彌散強(qiáng)化、加工（或應(yīng)變）強(qiáng)化和晶粒細(xì)化強(qiáng)化。這些強(qiáng)化技術(shù)的實(shí)質(zhì)是通過引入各種缺陷（點(diǎn)缺陷，線、面及體缺陷等）阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使材料難以產(chǎn)生塑性變形而提高強(qiáng)度。但材料強(qiáng)化的同時(shí)往往伴隨著塑性或韌性的急劇下降，造成高強(qiáng)度材料往往缺乏塑性和韌性，而高塑韌性材料的強(qiáng)度往往很低。長期以來，這種材料的強(qiáng)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(qiáng)化技術(shù)多利用普通非共格晶界或相界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來提高強(qiáng)度。當(dāng)材料中引入大量非共格晶界時(shí)，強(qiáng)度顯著提高（如納米晶體材料的強(qiáng)度較粗晶體材料高一個(gè)數(shù)量級），但隨著位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)“阻礙物”（即非共格晶界）的不斷增多，晶格位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)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(qiáng)化界面的三個(gè)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(jī)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(qiáng)度和拉伸塑性同步顯著提高。當(dāng)層片厚度為15nm時(shí)，拉伸屈服強(qiáng)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(dá)13%。顯然，這種使強(qiáng)度和塑性同步提高的納米孿晶強(qiáng)化與其他傳統(tǒng)強(qiáng)化技術(shù)截然不同。理論分析和分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，高密度孿晶材料表現(xiàn)出的超高強(qiáng)度和高塑性源于納米尺度孿晶界與位錯(cuò)的獨(dú)特相互作用。同時(shí)，利用納米尺度孿晶不但使金屬材料強(qiáng)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(cuò)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(dòng)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(qiáng)化材料還可以帶來優(yōu)異的電學(xué)性能。研究表明，超高強(qiáng)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(shí)實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)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(kuò)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(qiáng)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(qiáng)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）
