導(dǎo)讀：生物啟發(fā)的分層設(shè)計(jì)展示了一種有前途的微觀結(jié)構(gòu)解決方案，以避免人工材料中的多種復(fù)雜的性能權(quán)衡。然而，如何可行地、綜合地調(diào)整結(jié)構(gòu)層次，特別是對于塊體材料而言，仍然具有極大的挑戰(zhàn)性。在此，報(bào)道了一種反直覺的現(xiàn)象- -探索鑄態(tài)塊體合金中高度發(fā)展的樹枝晶層次的多尺度微觀結(jié)構(gòu)遺傳。在優(yōu)化的熱機(jī)械加工過程中，本文小心地控制這些枝晶逐漸變形、伸長、排列和細(xì)化，而不是像傳統(tǒng)的合金加工范式那樣完全破壞它們。因此，在具有技術(shù)重要性的Cu Cr Zr合金中可控設(shè)計(jì)了類似于貝殼和竹子的分級纖維狀片層( HFL )結(jié)構(gòu)。這種創(chuàng)新的HFL設(shè)計(jì)促進(jìn)了具有連續(xù)多尺度相互作用和突出仿生屬性的多種協(xié)同微觀機(jī)制，從而提供了非凡的多功能性，特別是高強(qiáng)度-導(dǎo)電性的組合。

對安全關(guān)鍵和節(jié)能工程技術(shù)的探索需要高性能多功能材料的發(fā)展。不幸的是，所要求的臨界性質(zhì)往往是相互排斥的；例如，提高強(qiáng)度往往會(huì)犧牲工程材料的延展性、韌性、導(dǎo)電性甚至熱穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的方法，如晶粒細(xì)化，可以改善材料性能的一個(gè)或兩個(gè)方面，但具有相當(dāng)有限的能力來避免在單一材料中的多個(gè)互斥性能之間進(jìn)行協(xié)調(diào)平衡。大自然的智慧在于其精致的、自組裝的層級結(jié)構(gòu)，允許有效的全尺度功能適應(yīng)，從而導(dǎo)致今天突出的多功能性。鑒于此，微結(jié)構(gòu)層次被越來越多地引入到各種工程材料中。盡管有很大的前景，但在多個(gè)長度尺度上，特別是在塊體材料中，對結(jié)構(gòu)層次進(jìn)行可行的和綜合的裁剪是非常具有挑戰(zhàn)性的。此外，復(fù)制自然設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)不容易擴(kuò)展到既定的和可負(fù)擔(dān)得起的工業(yè)加工路線。

為了通過生物啟發(fā)的設(shè)計(jì)策略來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，本文報(bào)告了一種探索鑄態(tài)塊體合金材料中高度發(fā)展的樹枝狀結(jié)構(gòu)的多尺度微結(jié)構(gòu)遺傳的創(chuàng)新策略。利用這種"生物啟發(fā)、遺傳衍生"的策略，可控制地設(shè)計(jì)了長度尺度跨越5 ~ 6個(gè)數(shù)量級的分級纖維狀片層( HFL )結(jié)構(gòu)。特別值得注意的是，這種獨(dú)特的HFL結(jié)構(gòu)促進(jìn)了多重協(xié)同增強(qiáng)的微觀機(jī)制，其特征是順序的、拓?fù)渥兓亩喑叨认嗷プ饔煤屯怀龅姆律鷮傩?。這些互補(bǔ)的優(yōu)點(diǎn)成功地避免了廣泛研究/應(yīng)用的Cu - 1.0 wt % Cr-0.1wt % Zr合金中的多種性能權(quán)衡 ，導(dǎo)致同時(shí)具有高電導(dǎo)率[ 80 %國際退火銅標(biāo)準(zhǔn)( IACS )]、屈服強(qiáng)度( 655 MPa )、均勻延伸率( 6.8 % )、熱穩(wěn)定性、抗剪切損傷、鑄造缺陷容限、耐磨性、沖擊韌性甚至超高速拉伸性能。特別是，優(yōu)異的強(qiáng)度-延展性-導(dǎo)熱性組合使我們的HFL增強(qiáng)材料優(yōu)于迄今為止所有報(bào)道的Cu - 1.0 wt % Cr-0.1wt % Zr及其衍生或類似的合金體系，同時(shí)其破紀(jì)錄的性能優(yōu)于其他最先進(jìn)的塊體銅合金。總而言之，在銅合金中，如此可觀和多樣化的性能是前所未有的，這使得我們的HFL材料具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

除了高效益的多功能性外，生物激勵(lì)、遺傳衍生戰(zhàn)略的一個(gè)更大影響是，許多明顯的、以前無法實(shí)現(xiàn)的技術(shù)優(yōu)勢得以實(shí)現(xiàn)。首先，在鑄態(tài)塊體合金中，枝晶是常見的，但通常不受歡迎，因?yàn)殡S之而來的各種鑄造缺陷(例如,成分偏析)，并且在下游塑性加工過程中經(jīng)常發(fā)生災(zāi)難性的開裂。因此，在常規(guī)加工中，這些發(fā)達(dá)的枝晶需要通過成本高昂且耗時(shí)較長的高溫均勻化退火(以及其他復(fù)雜的治療方法)來完全消除。然而，我們反直覺地利用枝晶，在不犧牲其他關(guān)鍵屬性的前提下，極大地降低了在能源、時(shí)間和基礎(chǔ)設(shè)施要求方面的制造成本。其次，發(fā)達(dá)的樹枝晶作為天然的結(jié)構(gòu)前驅(qū)體，為跨越多個(gè)長度尺度的結(jié)構(gòu)層次設(shè)計(jì)提供了原位仿生途徑。因此，通過凝固或增材制造更高級的樹枝狀前驅(qū)體，可以獲得更高級的分級結(jié)構(gòu)。此外，我們所采用的加工技術(shù)與當(dāng)前的工業(yè)實(shí)踐是兼容的，因此我們所展示的策略應(yīng)該可以很容易地?cái)U(kuò)展到其他合金體系，因?yàn)橹毡榇嬖谟诟鞣N鑄態(tài)金屬材料中。

在此，上海大學(xué)、香港城市大學(xué)、德國馬普所、中國科學(xué)院金屬研究所、南京理工大學(xué)、新加坡南洋理工大學(xué)等國內(nèi)外知名高校，研究了生物啟發(fā)，遺傳衍生的分級塊狀多功能銅合金。通過利用HFL結(jié)構(gòu)使能的復(fù)雜內(nèi)應(yīng)力條件，激活了許多以前無法實(shí)現(xiàn)的變形和強(qiáng)化機(jī)制。它們在多倍長度的尺度上執(zhí)行和相互作用，從強(qiáng)烈的多樣化位錯(cuò)捕獲、大規(guī)模堆垛層錯(cuò)增殖、9R相輔助的納米孿晶、自緩沖剪切帶到不斷強(qiáng)化的異質(zhì)形變誘導(dǎo)硬化。這些場景甚至創(chuàng)造了遠(yuǎn)超傳統(tǒng)均勻結(jié)構(gòu)的卓越的、應(yīng)變率容忍的動(dòng)態(tài)特性。枝晶在金屬材料中普遍存在，但通常是不受歡迎的，而我們的"生物啟發(fā)，遺傳衍生"策略反直覺地利用了它們，實(shí)現(xiàn)了前所未有的高優(yōu)值多功能性。相關(guān)研究成果以題“Bioinspired, heredity-derived hierarchical bulk multifunctional copper alloys”發(fā)表在金屬頂刊Article In Press上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702123003504

圖1 受生物啟發(fā)，遺傳衍生的HFL結(jié)構(gòu)。鑄態(tài)CuCrZr樣品的a，b，OM和SEM圖像。插圖顯示了Cr偏析的直接作用和間接作用映射。c，作為參考材料的UFG ECAP樣品的EBSD逆極圖( IPF )圖像。內(nèi)插圖顯示了相應(yīng)的情況HAADF - STEM圖像，白色箭頭標(biāo)記致密的沿晶析出物。d-l，設(shè)計(jì)HFL樣本。d-h，SEM，EBSD IPF，EBSD IPF，TEM和HAADFSTEM以及EDS映射圖像。f，EBSD IPF圖像識別廣泛的LAGBs。LAGBs和HAGBs分別用綠線和紅線標(biāo)記。i，HAGBs (上層)和HAGBs + LAGBs (下層)的粒度分布。J，納米析出相的ADF - STEM圖像。k，Cr和Cu + Cr元素的STEM - EELS 映射。l，雙峰析出相的Atomic - resolution STEM圖像和STEM - EELS 映射。( a、d、g)中的箭頭表示縱向方向。所有的LM和TM分別指縱向和橫向微結(jié)構(gòu)。

圖2 多模態(tài)納米析出相和界面元素偏析。a，近原子尺度的APT重建圖顯示銅基體中的多模態(tài)富Cr析出相和Zr元素在晶界處的分布。b，( a )中Cr濃度隨90次旋轉(zhuǎn)的二維等高線顏色輪廓。擴(kuò)大的原子圖顯示富Cr沉淀( c )和Zr偏析修飾的晶界( e )。富Cr沉淀相( d )和穿過晶界的圓柱體( g )的一維成分輪廓。GB是指晶界。f，Zr濃度的二維等高線顏色輪廓( e )。h，Zr，Cr和Cu在晶界處的原子圖。i，原子級HAADF - STEM圖像和原子級分辨率STEM - EELS圖像。

圖3  加工路線示意圖和由此遺傳衍生的多尺度HFL微觀結(jié)構(gòu)分別為( a和b) . a中，2個(gè)鑲嵌體I和III分別表現(xiàn)為連續(xù)擠壓和旋轉(zhuǎn)鍛造。插圖II說明了我們刻意探索鑄態(tài)發(fā)達(dá)樹枝狀結(jié)構(gòu)的多尺度微結(jié)構(gòu)遺傳的設(shè)計(jì)理念，而不是像往常那樣完全打破它們。多尺度遺傳是由沿棒長軸的分級鑄態(tài)組織的漸進(jìn)熱塑性變形、伸長和排列，以及沿短軸的同步調(diào)整和細(xì)化來輔助實(shí)現(xiàn)的。結(jié)合定制的退火參數(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了生物啟發(fā)的遺傳衍生HFL結(jié)構(gòu)，其長度尺度在b中跨越5 ~ 6個(gè)數(shù)量級。

圖4 優(yōu)異的機(jī)械性能和獨(dú)特的變形行為。a，UFG和HFL樣品的拉伸曲線。圖中插圖為拉伸變形的原位DIC觀察和UFG試樣宏觀斷裂韌性的共聚焦激光OM觀察；b，兩個(gè)試樣對應(yīng)的應(yīng)變硬化曲線和HFL試樣位錯(cuò)密度的演變；c，HFL試樣的屈服強(qiáng)度與均勻延伸率相對于先前報(bào)道的Cu Cr Zr材料(與我們的材料具有相同或幾乎相同的成分)；d，屈服強(qiáng)度和均勻延伸率與電導(dǎo)率相對于先前報(bào)道的Cu Cr Zr材料(與我們的材料具有相同或幾乎相同的成分)為保證這些數(shù)據(jù)的合理性和準(zhǔn)確性，根據(jù)這些文獻(xiàn)，c和d中不包括少量由小尺度拉伸試樣測得的高估性質(zhì)。e，UFG和HFL樣本的多個(gè)屬性值或趨勢。耐磨性用磨損失重的倒數(shù)來表示。熱穩(wěn)定性是指550℃退火3 h后的硬度與退火前硬度的比值。f，HDI應(yīng)力和有效應(yīng)力的關(guān)聯(lián)演化。g，HFL樣品的超高速和準(zhǔn)靜態(tài)拉伸曲線。插圖顯示了UFG和HFL的沖擊能量Cu Cr Zr樣品. h，HFL樣品拉伸變形的多尺度耦合原位DIC觀測. i，彩色OM和SEM圖像顯示致密、穩(wěn)定的SBs .右圖中的插圖為共聚焦激光掃描顯微圖像，進(jìn)一步顯示并確認(rèn)了流行的SB。

圖5 多尺度動(dòng)態(tài)變形相互作用和硬化機(jī)制。a，b，兩幅STEM圖像。c，相應(yīng)的示意圖揭示了( b )中位錯(cuò)和納米析出物以及( d )中位錯(cuò)和析出物或位錯(cuò)之間的強(qiáng)烈相互作用。d，低角度ADF ( LAADF ) -STEM圖像及其鑲嵌顯示廣泛的位錯(cuò)纏結(jié)和增殖。e，TEM圖像。f，STEM圖像和STEM鑲嵌顯示致密的GND堆積。g，高分辨率TEM圖像以及快速傅里葉變換( FFT )和原子分辨率TEM鑲嵌顯示致密的SFs和SF介導(dǎo)的Lomer-Cottrell鎖。h，TKD-EBSD IPF和相應(yīng)的KAM圖像。i，TKD-EBSD IPF圖像顯示SBs。j，TEM圖像和選區(qū)電子衍射( SAED )圖案顯示孿晶和9R相。k，連續(xù)和畸變9R相的原子尺度TEM圖像。L，9R介導(dǎo)孿生的原子示意圖、HAADF - STEM圖像和STEM - EELS mapping揭示了富Cr析出相可以顯著釘扎晶界移動(dòng)，提高材料的熱穩(wěn)定性。GBs是指晶界。N，UFG和HFL樣品在250℃、350℃和550℃退火溫度下洛氏硬度隨退火時(shí)間的演變( 15h)。O，共聚焦激光掃描顯微鏡觀察UFG和HFL試樣的3D摩擦磨損形貌。在較低的磨損寬度和深度方面，我們的HFL材料顯示出明顯優(yōu)于對比材料的耐磨性能Ecap Ufg對應(yīng)。

總之，本文成功地構(gòu)思并展示了一種有效的生物啟發(fā)、遺傳衍生的工程策略，闡明了潛在的過程-結(jié)構(gòu)-多功能關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了從仿生多尺度設(shè)計(jì)到高品質(zhì)塊體多功能性的理想但具有挑戰(zhàn)性的范式。HFL材料的多功能特性和屬性是前所未有的，并且具有重大的商業(yè)和技術(shù)重要性，使我們的HFL材料在鐵路接觸導(dǎo)線和網(wǎng)絡(luò)、新能源電動(dòng)汽車、電氣/微電子連接器、集成電路引線框架、電阻焊電極和聚變反應(yīng)堆中的熱交換器等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。與當(dāng)前高效和高性價(jià)比的工業(yè)實(shí)踐相適應(yīng)，我們的生物啟發(fā)、遺傳衍生策略將在其他合金體系中找到更重要的應(yīng)用，從而在高性能、下一代結(jié)構(gòu)和功能一體化塊體材料的設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)概念轉(zhuǎn)變。