導讀：本文提出了“納米粒子分散于納米晶粒”的策略，以同時加強和穩(wěn)定納米晶粒金屬。該策略依靠的是均勻的分散在納米顆粒內的極細尺寸的碳納米粒子（2.6±1.2 nm）。納米粒子在顆粒內的分散不僅將納米晶粒的強度提高了35%，而且還激活了多種通過位錯與納米顆粒的相互作用激活多種硬化機制，從而導致改善加工硬化和大的拉伸延展性。此外，這些精細分散的納米粒子使金屬納米復合材料的熱穩(wěn)定性和導電性大大增強。

高強度材料往往由于缺乏加工硬化而受到影響，使其容易出現(xiàn)裂紋和災難性的破壞。納米晶體金屬（平均晶粒尺寸小于100 nm），表現(xiàn)出低的加工硬化能力。導致有限的拉伸延展性，加上低熱穩(wěn)定性和導電性差。通過一種或多種元素的合金化方法原則上可以解決上述的一些限制，但往往伴隨著高成本和導電性的進一步降低。由于在晶界（GBs）上的元素偏析，它還面臨著可持續(xù)性和有時晶間脆性的挑戰(zhàn)。

另一種加強細粒材料的方法是利用納米級的加固材料，由此產生的納米復合材料可以表現(xiàn)出強度、熱穩(wěn)定性和電導率。然而，這些加固材料往往會沿著GBs聚集或分布在一起，造成局部應力集中，界面脫粘和過早失效。因此，要在納米材料中實現(xiàn)強度、延展性和熱穩(wěn)定性的同時改善，仍然是一個挑戰(zhàn)。同時改善納米顆粒金屬的強度、延展性和熱穩(wěn)定性，這類高強度材料具有廣泛的應用前景。

在此，上海交通大學張荻教授團隊報告了一種“納米粒子分散在納米晶粒中”的策略，以實現(xiàn)增強的機械性能和熱穩(wěn)定性以及導電性。與通常采用的方法不同的是，他們實現(xiàn)了均勻的高密度的碳納米粒子的粒內分散。細致分散的納米顆粒不僅可以放大納米晶粒的強化效果，而且還通過位錯-納米晶粒激活了多種硬化機制。從而使納米晶的高強度、加工硬化和拉伸延展性得到獨特的組合。

他們通過將碳納米顆粒引入到納米晶銅（nc-Cu）和鎳（nc-Ni）中來證明納米分散在納米晶粒中的策略。納米碳（粒徑為2.6±1.2 nm）在銅納米顆粒內的高密度（5.6×1023米）（顆粒大小為63±16 nm）。這種顆粒內的納米分散使納米碳的兩級硬化機制成為可能。從而提高強度和延展性。密集的納米分散毛皮提供了對晶粒粗化的強大阻力。因此，nc-Cu復合材料（例如，0.8 vol.% C）實現(xiàn)了高抗拉強度（1252±22 MPa），均勻伸長率（13.3±0.9%）和高熱穩(wěn)定性（1小時內穩(wěn)定在0.72Tm，其中Tm是Cu的熔化溫度）同時還具有更好的導電性。該策略因此代表了一種有效的手段，打破了幾個相互排斥的特性之間的權衡。他們還使用同樣的方法來生產具有出色性能的納米鎳復合材料，強調了納米分散技術的普遍適用性。

相關研究成果以題“A nanodispersion-in-nanograins strategy for ultra-strong, ductile and stable metal nanocomposites”發(fā)表在國際著名期刊Nature上。

鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-33261-5

圖1 分散在超納米碳（unc）顆粒中的nc-Cu復合材料的微觀結構

a 明視場(BF)TEM圖像顯示了合成后的納米晶粒，如插圖中幾乎均勻的衍射環(huán)所證實。b 錐形銅的HAADF-STEM圖像，C含量為0.8 vol.%，其中觀察到高密度的unc顆粒。一些在晶粒內和沿晶粒邊界的unc顆粒在晶粒內和沿晶界（GBs）分別用白色和紅色箭頭表示。紅色箭頭分別表示。BF-和HAADF-STEM圖像一起被用來識別GBs。c b中框內區(qū)域的EELS C成像圖，其中GB由白色虛線劃定。d 直方圖顯示了不規(guī)則顆粒的尺寸分布和它們在顆粒內部的位置。的直方圖，如STEM所測量的，它們在晶粒內部或GB的位置；252個unc顆粒中的92%在晶粒內部。e 復合材料的同步輻射X射線衍射（SXRD）圖。插圖是方框內區(qū)域的放大光譜，顯示除了Cu的峰之外沒有其他的峰，在Cu-C界面沒有形成碳化物。f 近緣X射線吸收精細結構（NEXAFS）光譜，nc-Cu復合材料（0.8 vol.% C）的C-K邊緣觀察到一個由Cu-C共價鍵產生的獨特峰值（~290 eV）。

圖2 nc-Cu復合材料的高分辨TEM和APT表征

a 高分辨率的HAADF-STEM圖像，沿區(qū)軸線拍攝的UNC顆粒附近的局部原子結構。

沿著區(qū)軸線拍攝的xc粒子附近的局部原子結構的高分辨率HAADF-STEM圖像，正如快速傅里葉變換（FFT）圖案所確認的那樣。b a的FFT過濾圖像。顏色從黑色到黃色表示強度從低到高。插圖是該區(qū)域的C成像圖，顯示低強度區(qū)域對應于unc（由于STEM圖像對原子序數(shù)Z的敏感性），插圖顯示了兩個unc顆粒的FFT圖像（為清晰起見，見c）。c 強度曲線沿著b中的線，在未包含的區(qū)域觀察到原子強度的下降。區(qū)域的原子強度下降。黃線代表了銅矩陣平均原子強度的90%。黃線代表了銅基體的平均原子強度的90%，被作為截止強度來估計銅基體的直徑（4.1 nm）。d 未包含區(qū)域的εxx和εyy的應變圖。參考的零應變區(qū)域選自無位錯區(qū)域（a的左上角）。在無位錯區(qū)域附近沒有觀察到明顯的應變集中。e-f 用閾值等值面重建的C背景和unc顆粒的側視APT圖像g f中的放大區(qū)域顯示了一個有代表性的unc粒子。代表性的unc粒子，以及Cu的原子分布（顯示10%的Cu原子以降低背景強度），和其他檢測到的雜質。h 統(tǒng)計直方圖顯示了UNC顆粒的大小分布，顆粒（124個計數(shù)），平均顆粒大小為2.5±1.2nm。內頁顯示了unc顆粒的APT圖像，表明其幾乎是球形的。

圖3 鎳鈷合金復合材料的拉伸性能和熱穩(wěn)定性。

a 純鎳鈷和鎳鈷復合材料（分別為0.4 vol.%和0.8 vol.%C）的代表性拉伸工程應力-應變曲線。所有的拉伸試驗都是在應變率為5×10-4 s-1和室溫下進行的。發(fā)生縮頸的應變頸縮發(fā)生的應變用開放的三角形標出，對于純正的鎳鈷插圖顯示了的屈服強度和均勻伸長率同時得到改善。b 實驗測量的應變硬化率dσ/ dε（與σ和dε有關），dε（其中σ和ε分別為真實應力和真實應變），c 應變硬化指數(shù)（n = d(lnσ)/d(ln)）是應變的函數(shù)。f  nc-Cu復合材料的熱穩(wěn)定性：nc-Cu復合材料的累計面積分數(shù)與晶粒尺寸的關系。

圖4  鈷-銅復合材料的強化和硬化機制

a 鈷-銅復合材料（0.8 vol.% C）拉伸斷裂后的BFSTEM圖像。b 同一區(qū)域的BF-和HAADF-STEM圖像。c unc顆粒的尺寸分布直方圖和對應的位錯釘住概率。共檢查了127個顆粒。直徑較大的顆粒被發(fā)現(xiàn)有較高的錯位釘住的概率。d高分辨率的HAADF-STEM圖像顯示了在一個Uc粒子附近的原子結構。e 高分辨率HAADF-STEM圖像的變形微結構。g MD模擬的快照，其目的是為了讓強烈的位錯繞過以平面外方向排列的unc粒子的定期陣列。顯示了位錯和非晶體顆粒周圍的局部應變場，以及位錯之間的長程彈性相互作用，顯示了在釘住unc粒子期間的三維位錯結構。k 系統(tǒng)上形成的位錯環(huán)，具有較低的分辨剪切應力。h-k中的原子是通過共鄰分析著色的。l 從兩階段硬化模型得到的應力-應變反應，與實驗結果比較。

圖5 - 純鎳和鎳的微觀結構、拉伸性能和熱穩(wěn)定性。

a nc-Ni復合材料（0.8 vol.% C）的明場TEM圖像。插圖顯示了復合材料的鎳晶粒尺寸分布c nc-Ni復合材料（0.8 vol.% C）的C-K邊緣的NEXAFS譜。Ni-C化學鍵，它對應于290.3 eV的吸收峰被識別。d nc-Ni 和 nc-Ni 復合材料的代表性拉伸工程應力-應變曲線。屈服強度、斷裂強度和均勻伸長率同時得到提高。e 鎳鈷合金復合材料的熱穩(wěn)定性。nc-Ni復合材料（0.8 vol.% C）和在不同溫度（973 K至1193 K）下退火后的累積晶粒面積分數(shù)。f nc-Ni和nc-Ni復合材料的電阻率是在1073K退火1小時后測量的。nc-Ni復合材料的電導率（0.8 vol.% C）比nc-Ni的電導率高77%。

總而言之，通過納米分散在納米晶粒中的策略克服了納米顆粒金屬的幾個主要缺點。該研究表明碳納米粒子在納米晶體中的均勻晶間分散是一種有效的方法來實現(xiàn)增強的加工硬化從而實現(xiàn)高延展性，同時改善熱穩(wěn)定性和導電性。這些綜合性能超過了其他納米結構策略所實現(xiàn)的性能因此。在納米晶粒中的納米分散代表了一種有前途的方法，可廣泛用于制造超強度、韌性和穩(wěn)定的金屬納米復合材料在未來的結構和功能方面的應用。