中科院金屬所：接近理論強(qiáng)度！一種新型納米金屬材料

單相固溶體可通過調(diào)幅分解自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w結(jié)構(gòu)相同、成分在納米尺度波動的雙連續(xù)雙相結(jié)構(gòu)。但受制于熱力學(xué)與動力學(xué)條件，該轉(zhuǎn)變的適用合金體系極為有限，其成分調(diào)制幅度和界面形態(tài)結(jié)構(gòu)也難以控制與優(yōu)化。

近期，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心金海軍研究員團(tuán)隊(duì)將脫合金與電沉積相結(jié)合，在完全互溶且熱力學(xué)穩(wěn)定不易分解的Cu-Au合金體系中構(gòu)筑出類似于調(diào)幅分解產(chǎn)生的納米結(jié)構(gòu)，形成仿調(diào)幅分解結(jié)構(gòu)合金（spinodoid alloy）或人工調(diào)幅合金。這一新型納米金屬材料具有接近理論值的高強(qiáng)度，同時表現(xiàn)出粗晶材料的塑性變形特征，為材料的強(qiáng)韌化和功能化設(shè)計(jì)提供了新思路。相關(guān)成果以題為Ultrastrong spinodoid alloys enabled by electrochemical dealloying and refilling發(fā)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(guān)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(xué)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(tuán)隊(duì)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(xué)沉積將Cu回填入納米孔，形成全致密仿調(diào)幅分解結(jié)構(gòu)Cu/Au合金。新材料保留了前驅(qū)體合金的粗大晶粒，其晶內(nèi)由同為面心立方結(jié)構(gòu)、晶體取向一致、且在納米尺寸互相貫通Cu、Au兩相構(gòu)成；兩相間呈三維空間連續(xù)、彎曲的半共格界面，相界上規(guī)則地排列著高密度的失配位錯；兩相特征結(jié)構(gòu)尺寸可在納米至亞微米區(qū)間變化。和多層膜等納米材料在較高臨界尺寸以下即發(fā)生軟化不同，仿調(diào)幅分解結(jié)構(gòu)Cu/Au合金的強(qiáng)度隨尺寸減小而持續(xù)升高，直至接近其理論強(qiáng)度（失配位錯弓出臨界應(yīng)力）。更有趣的是，隨著特征尺寸細(xì)化至50納米以下，其塑性變形也從傳統(tǒng)復(fù)合材料向單相材料變形方式轉(zhuǎn)變。在此臨界尺寸以下，新材料在獲得納米材料高強(qiáng)度的同時，也具備了單相粗晶材料的變形行為特征，展現(xiàn)出綜合力學(xué)和物理性能優(yōu)化的巨大空間。

本文將理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，通過分子動力學(xué)模擬，強(qiáng)調(diào)了界面曲率也是三維連續(xù)相界的重要結(jié)構(gòu)特征，并對納米材料力學(xué)行為產(chǎn)生重要影響。對Gyroid雙相晶體進(jìn)行的原子尺度模擬計(jì)算，揭示了零平均曲率半共格界面的結(jié)構(gòu)，同時也從理論上澄清了該類光滑連通三維復(fù)雜界面與材料理論強(qiáng)度之間的關(guān)系，闡明了仿調(diào)幅結(jié)構(gòu)雙相納米材料的強(qiáng)度上限。

本研究突破了傳統(tǒng)調(diào)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(jìn)其研究和應(yīng)用。此外，新材料的超高密度位錯、近極小面三維連續(xù)相界、低能（半）共格界面、極低三叉晶界密度等獨(dú)特結(jié)構(gòu)也為理解納米金屬變形及穩(wěn)定性中的一些基礎(chǔ)科學(xué)問題、發(fā)展高性能結(jié)構(gòu)功能一體化新材料提供了新的機(jī)遇。

圖1. 仿調(diào)幅分解結(jié)構(gòu)Cu/Au合金的制備及結(jié)構(gòu)特征。a） 脫合

金與電沉積結(jié)合形成仿調(diào)幅分解結(jié)構(gòu)的示意圖。b）EBSD照片顯示該材料粗大的晶粒尺寸，c）TEM照片顯示其雙連續(xù)納米雙相結(jié)構(gòu)，以及d）HRTEM照片顯示半共格界面和高密度失配位錯。

圖2. 仿調(diào)幅分解結(jié)構(gòu)Cu/Au合金的分子動力學(xué)模擬。a）典型 Gyroid雙相結(jié)構(gòu)及其光滑連續(xù)半共格界面，以及b）界面上大量失配位錯組成的三維位錯網(wǎng)絡(luò)。

圖3. 仿調(diào)幅分解結(jié)構(gòu)Cu/Au合金屈服強(qiáng)度的特征結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)。其強(qiáng)度隨結(jié)構(gòu)尺寸減小而持續(xù)上升，并逼近理論計(jì)算的理論強(qiáng)度。

圖4 仿調(diào)幅分解結(jié)構(gòu)Cu/Au合金屈服強(qiáng)度的晶粒尺寸效應(yīng)。a）雖然該材料晶粒尺寸（d）比結(jié)構(gòu)尺寸高幾個數(shù)量級，其強(qiáng)度仍表現(xiàn)出顯著的晶粒尺寸（d）效應(yīng)。（b-c）SEM照片顯示晶界對剪切帶有明顯的阻礙作用，與強(qiáng)度的晶粒尺寸效應(yīng)相一致。

審核編輯 ：李倩