金屬是由微小晶粒組成,晶界越多,金屬就越不易變形,強度就越大。但此方法也有極限:當晶粒尺寸降至10-15納米時,晶界發生滑移、遷移等塑性變形,導致金屬在應力下變軟。這是困擾材料學界的“尺寸軟化”難題。

中國科學院金屬研究所研究團隊與遼寧材料實驗室研究團隊合作,提出并實現了“納米負能界面”強化新策略,在鎳基合金中構筑極高密度穩定界面,可提升材料剛度,使材料強度逼近理論極限。

研究團隊在鎳基合金中,通過電化學沉積結合非晶晶化方法,讓金屬原子以兩種極其緊密的方式交替堆疊,原子相互采用榫卯結構連接,層與層之間僅有0.7納米,形成了更穩定的結構,材料內部總能量沒有增加,反而降低了“負能界面”。

這種充滿“負能界面”的新型金屬的屈服強度高達5.08GPa,超過傳統納米晶與納米孿晶鎳基材料,接近理論強度極限,能夠和高性能陶瓷相當。該金屬的楊氏模量大幅提升,達到254.5GPa,超過同成分的非晶金屬和金屬化合物。這意味著“負能界面”新型金屬實現了強度與剛度的同步提升。不僅更難被永久壓壞,也更難被彈性壓彎,即“又強又韌”。

“納米負能界面”強化策略可廣泛應用于多種材料體系。該成果揭示通過構筑極限尺度的穩定“負能界面”,可以有效調控晶體材料的原子鍵合狀態,同時實現材料強度和模量的跨越式提升。為未來設計開發接近理論強度極限的新一代超強超穩金屬材料,提供了新的科學原理和技術路徑。

相關研究成果發表在《科學》(Science)上。研究工作得到國家自然科學基金杰出青年基金和中國科學院戰略性先導專項等的支持。

論文鏈接

通過在鎳基過飽和固溶體合金中構筑極高密度穩定的“負能界面” (A、B),有效阻礙位錯及界面運動,完全抑制塑性變形,顯著提升楊氏模量(C、D),提升材料強度接近理論極限