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中科院金屬所：接近理論強度！一種新型納米金屬材料

2023-01-09 13:57:32 作者：材料基來源：材料基分享至：

單相固溶體可通過調幅分解自發轉變為晶體結構相同、成分在納米尺度波動的雙連續雙相結構。但受制于熱力學與動力學條件，該轉變的適用合金體系極為有限，其成分調制幅度和界面形態結構也難以控制與優化。

近期，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心金海軍研究員團隊將脫合金與電沉積相結合，在完全互溶且熱力學穩定不易分解的Cu-Au合金體系中構筑出類似于調幅分解產生的納米結構，形成仿調幅分解結構合金（spinodoid alloy）或人工調幅合金。這一新型納米金屬材料具有接近理論值的高強度，同時表現出粗晶材料的塑性變形特征，為材料的強韌化和功能化設計提供了新思路。相關成果以題為Ultrastrong spinodoid alloys enabled by electrochemical dealloying and refilling發表在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America上。該工作由金屬所博士研究生關懷（第一作者）、解輝副研究員、羅兆平副研究員和南京理工大學博士研究生鮑偉康、尤澤升副教授、金屬所金朝暉研究員和金海軍研究員（通訊作者）共同完成。

論文鏈接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2214773120

研究團隊利用脫合金腐蝕將固溶體Cu-Au中Cu（或Ag-Au中的Ag）選擇性溶解，促使未溶解Au原子自組裝形成納米多孔Au，再用電化學沉積將Cu回填入納米孔，形成全致密仿調幅分解結構Cu/Au合金。新材料保留了前驅體合金的粗大晶粒，其晶內由同為面心立方結構、晶體取向一致、且在納米尺寸互相貫通Cu、Au兩相構成；兩相間呈三維空間連續、彎曲的半共格界面，相界上規則地排列著高密度的失配位錯；兩相特征結構尺寸可在納米至亞微米區間變化。和多層膜等納米材料在較高臨界尺寸以下即發生軟化不同，仿調幅分解結構Cu/Au合金的強度隨尺寸減小而持續升高，直至接近其理論強度（失配位錯弓出臨界應力）。更有趣的是，隨著特征尺寸細化至50納米以下，其塑性變形也從傳統復合材料向單相材料變形方式轉變。在此臨界尺寸以下，新材料在獲得納米材料高強度的同時，也具備了單相粗晶材料的變形行為特征，展現出綜合力學和物理性能優化的巨大空間。

本文將理論計算與實驗結合，通過分子動力學模擬，強調了界面曲率也是三維連續相界的重要結構特征，并對納米材料力學行為產生重要影響。對Gyroid雙相晶體進行的原子尺度模擬計算，揭示了零平均曲率半共格界面的結構，同時也從理論上澄清了該類光滑連通三維復雜界面與材料理論強度之間的關系，闡明了仿調幅結構雙相納米材料的強度上限。

本研究突破了傳統調幅分解的固有限制，拓展了此類材料的合金體系、成分范圍和性能空間，促進其研究和應用。此外，新材料的超高密度位錯、近極小面三維連續相界、低能（半）共格界面、極低三叉晶界密度等獨特結構也為理解納米金屬變形及穩定性中的一些基礎科學問題、發展高性能結構功能一體化新材料提供了新的機遇。