導(dǎo)讀：材料的許多性質(zhì)是互不相容的，甚至是完全排斥的。本文針對(duì)材料性能的權(quán)衡悖論提出了一個(gè)新概念，即根據(jù)材料的具體使用要求定向設(shè)計(jì)材料的微觀結(jié)構(gòu)，以最大限度地精準(zhǔn)利用材料的性能。利用這一概念，作者成功地解決了高速列車中銅接觸線的高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性的悖論。該概念可以用來解決功能和結(jié)構(gòu)材料的其他性質(zhì)悖論。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，迫切需要同時(shí)具有兩種以上優(yōu)異性能的多功能材料。不幸的是，材料的許多優(yōu)異性能很少共存，即所謂的性能權(quán)衡悖論。作為自然界的普遍規(guī)律，這種悖論廣泛存在于結(jié)構(gòu)和功能材料的重要性質(zhì)中，如電池材料的能量和功率密度、熱電材料的電導(dǎo)率和Seebeck系數(shù)/熱導(dǎo)率、介電材料的極化和擊穿強(qiáng)度、磁性材料的磁化和矯頑力、催化材料的反應(yīng)物遷移率和催化活性位、結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度和延展性/電導(dǎo)率/熱穩(wěn)定性等。在過去的半個(gè)世紀(jì)里，人類利用新興的納米技術(shù)對(duì)這個(gè)難題發(fā)起了頑強(qiáng)而不懈的挑戰(zhàn)。例如，雙峰和異質(zhì)復(fù)合材料概念可以通過將有利于獨(dú)特性能的相應(yīng)微結(jié)構(gòu)組合在一起而或多或少地優(yōu)化性能。

對(duì)于物質(zhì)表現(xiàn)悖論的答案，我們不得不從自然本身的藝術(shù)家身上尋找。為了抵抗橫向斷裂和縱向運(yùn)輸營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，竹子和其他樹干沿著縱向進(jìn)化出了纖維結(jié)構(gòu)。同樣，貝殼進(jìn)化出了多層結(jié)構(gòu)來抵抗垂直斷裂，牙齒進(jìn)化出了表面上的納米結(jié)構(gòu)來抵抗磨損。大自然巧妙而精細(xì)地優(yōu)化了生物材料的微觀結(jié)構(gòu)根據(jù)其特定的服務(wù)要求而變化，從而演化出多種功能。相對(duì)于生物材料，現(xiàn)在的人造材料還是比較簡(jiǎn)單的。比如從原子結(jié)構(gòu)來看，大部分人造材料都是單相的；從性能的角度來看，它們中的大多數(shù)是各向同性的，這導(dǎo)致材料性能沒有被充分利用，因?yàn)樘囟ǖ姆?wù)部件總是宏觀的和定向的。

納米中心趙永好教授團(tuán)隊(duì)受大自然的啟發(fā)，獨(dú)辟蹊徑地提出根據(jù)材料具體使用環(huán)境而把材料的微觀結(jié)構(gòu)在宏觀上進(jìn)行定向精細(xì)設(shè)計(jì)的新概念。并利用這一概念具體成功解決了高鐵銅導(dǎo)線的高強(qiáng)、高導(dǎo)的悖論難題（圖1-3）。不同于文獻(xiàn)上所報(bào)道的異質(zhì)異構(gòu)復(fù)合優(yōu)化這些概念，這一基于材料具體使役條件而將微觀結(jié)構(gòu)在宏觀上進(jìn)行有目的設(shè)計(jì)的新理念為解決材料相互矛盾的性能提供了別樣的方法和思路，是人類主觀能動(dòng)的改造自然的一個(gè)體現(xiàn)和從0到1的原創(chuàng)突破，真正做到了精準(zhǔn)使用材料，并把材料的性能發(fā)揮到了極致。相關(guān)研究成果以題“Breaking Material Property Trade-offs via Macrodesign of Microstructure”發(fā)表在Nano Letters上。論文作者為毛慶忠（南理工）、張于勝（西北有色院），劉吉梓（南理工），趙永好（南理工，通訊作者）。

鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00451

此外，這一概念可以被應(yīng)用解決其它的材料性能悖論，可以給不同領(lǐng)域的學(xué)者新的啟發(fā)；比如對(duì)于電池材料，可以根據(jù)宏觀充放電方向去有目的的調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)；對(duì)于催化材料，可以根據(jù)反應(yīng)的方向去調(diào)整反應(yīng)通道和催化點(diǎn)；對(duì)于結(jié)構(gòu)材料，可以根據(jù)受力方向去調(diào)整其微觀結(jié)構(gòu)；對(duì)于熱電材料，根據(jù)導(dǎo)熱和導(dǎo)電方向去優(yōu)化性能等等。

表1 性能1和2的典型相悖的代表

圖1 ε=2.5的鍛造銅的顯微組織。（a）CG和鍛造銅棒的圖片。（b）側(cè)視圖中的EBSD晶體取向圖。（c）從頂視圖（c-1、c-3）和側(cè)視圖（c-3）看的EBSD晶體取向圖（c-1、c-3）和GB圖（c-2）。insets分別是反極圖和顏色示例。c-2中的黑線和紅線分別代表2到15之間的高角度GBs （>15）和低角度GBs。（d）俯視（d-1）和側(cè)視（d-2）的TEM圖像。插圖是選定的區(qū)域電子衍射（SAED）圖案。（e）低角度晶界的高分辨率TEM圖像。傅里葉逆變換（e-4）揭示了由多邊形位錯(cuò)墻形成的鋸齒形低角GBs。

圖2 ε=2.5的鍛造銅的機(jī)械、熱和導(dǎo)電性能。（a）在室溫和液氮溫度下測(cè)試的鍛造銅和重心銅的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸曲線。頸縮的起始處用空方塊標(biāo)出。（b）屈服強(qiáng)度和延展性（斷裂伸長(zhǎng)率）與型鍛變形應(yīng)變的關(guān)系。（c）在473、523和573 K的等溫退火過程中的顯微硬度演變。（d）CG、鍛造和退火Cu的導(dǎo)電性。（e）等溫退火過程中微觀結(jié)構(gòu)的演變。

與文獻(xiàn)中雙峰或異質(zhì)復(fù)合材料的傳統(tǒng)概念不同（圖3d-1），該的概念旨在根據(jù)特定的工作方向進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)的宏觀方向設(shè)計(jì)，以便充分利用材料的性能，如圖3d-2所示。我們的概念可以用來解決物質(zhì)屬性的其他悖論。用于電池、熱電、催化等。功能材料和結(jié)構(gòu)材料，我們可以分別根據(jù)充放電、熱傳導(dǎo)和傳導(dǎo)、反應(yīng)和加載的宏觀工作方向，有目的地設(shè)計(jì)它們的微觀結(jié)構(gòu)。顯然，我們沒有改變物質(zhì)屬性悖論的自然規(guī)律。一個(gè)方向上的優(yōu)秀特性是以另一個(gè)方向上的特性為代價(jià)的（圖3d-2）。這告訴我們，我們不一定要花精力去做各方面都完美的材料，而是要在刀刃上用鋼。最后，微觀結(jié)構(gòu)的宏觀設(shè)計(jì)（包括晶粒尺寸、形貌和取向等。）可以進(jìn)一步擴(kuò)展到成分（不同元素）、相 （面心立方、體心立方、六方密堆積等不同結(jié)構(gòu)）等宏觀設(shè)計(jì)。在這方面，梯度材料和分級(jí)微結(jié)構(gòu)也可以歸入這一類。

圖3 通過不同的嚴(yán)重塑性變形和粉末燒結(jié)方法制備的純銅的屈服強(qiáng)度和導(dǎo)電性/熱穩(wěn)定性之間關(guān)系的文獻(xiàn)綜述。（a）屈服強(qiáng)度與導(dǎo)電性。（b）晶粒尺寸與退火溫度的關(guān)系。ED，電沉積；SPS，放電等離子燒結(jié)；ECAP/R/E，等通道轉(zhuǎn)角擠壓/軋制/擠壓；DCT，深冷處理；低壓/直流，液體壓制/拉伸；DPD，動(dòng)態(tài)塑性變形；CR，冷軋；SMGT，表面機(jī)械研磨處理；LSEM，大應(yīng)變擠壓加工。（c）銅在型鍛和退火過程中微觀結(jié)構(gòu)演變的示意圖及其對(duì)機(jī)械和導(dǎo)電性能的影響。（d）傳統(tǒng)的權(quán)衡性能優(yōu)化和我們根據(jù)服務(wù)方向進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)宏觀設(shè)計(jì)的概念的示意圖。

簡(jiǎn)而言之，作者提出了一個(gè)基于材料特定的應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)力、應(yīng)變條件的材料微觀結(jié)構(gòu)宏觀設(shè)計(jì)的概念。通過旋鍛制備了一種具有超長(zhǎng)晶粒的銅線，該銅線具有良好的熱穩(wěn)定性和高強(qiáng)度。通過隨后的退火，伴隨著380MPa以上的屈服強(qiáng)度，獲得了103%的IACS電導(dǎo)率。我們的工作為性能權(quán)衡悖論提供了另一種解決方案。