12日,記者從遼寧材料實(shí)驗(yàn)室獲悉,該實(shí)驗(yàn)室與中國(guó)科學(xué)院金屬研究所聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)近日取得重大技術(shù)突破——在金屬中發(fā)現(xiàn)“負(fù)能界面”,成功實(shí)現(xiàn)亞納米結(jié)構(gòu)合金強(qiáng)化,使材料強(qiáng)度逼近理論極限的同時(shí),顯著提升彈性模量。這種極限尺度穩(wěn)定界面能夠改變晶格的原子鍵合狀態(tài),從而大幅度提升性能,為下一代高性能金屬材料的設(shè)計(jì)開(kāi)辟了全新的維度。這一重要發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著金屬材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控進(jìn)入到亞納米尺度,相關(guān)成果于11月6日發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《科學(xué)》上。

提高金屬?gòu)?qiáng)度是長(zhǎng)期以來(lái)材料領(lǐng)域的核心研究目標(biāo),通過(guò)結(jié)構(gòu)細(xì)化到納米尺度形成高密度界面是金屬的一種主要強(qiáng)化途徑。近幾十年來(lái),世界各國(guó)一直致力于探索穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu),發(fā)展制備技術(shù),持續(xù)細(xì)化金屬結(jié)構(gòu)。盧柯研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)利用穩(wěn)定的低能孿晶界在金屬銅中獲得納米孿晶結(jié)構(gòu),使銅的強(qiáng)度提升10倍以上并保持高導(dǎo)電性。然而,當(dāng)孿晶層片厚度低于約10納米時(shí),孿晶結(jié)構(gòu)失穩(wěn)導(dǎo)致材料軟化,結(jié)構(gòu)無(wú)法進(jìn)一步細(xì)化。如何突破尺寸極限,持續(xù)提升金屬?gòu)?qiáng)度成為一項(xiàng)重大難題。
遼寧材料實(shí)驗(yàn)室黨委副書記、副主任李秀艷在接受科技日?qǐng)?bào)記者專訪時(shí)介紹,盧柯研究員團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于金屬材料結(jié)構(gòu)調(diào)控與性能突破研究,2018年首次發(fā)現(xiàn)當(dāng)納米金屬的晶粒小于70納米時(shí),晶界能量下降,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不降反升,顛覆傳統(tǒng)“納米晶粒越小越不穩(wěn)定”的認(rèn)知。2020年,團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探索晶粒尺寸極限,將純銅晶粒細(xì)化至4—5納米時(shí),發(fā)現(xiàn)材料轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N新結(jié)構(gòu),晶界呈現(xiàn)三維周期性極小面特征,將其命名為“受限晶體”。在最新研究中,團(tuán)隊(duì)聚焦尺度更小的界面結(jié)構(gòu)(平均0.7納米/3—4原子層)。
“我們通過(guò)電化學(xué)沉積結(jié)合非晶化方法,發(fā)現(xiàn)在Ni-Mo合金中存在一種過(guò)剩能為負(fù)的界面,比孿晶界面更加穩(wěn)定,并顯著提升了合金的強(qiáng)度和彈性模量。”李秀艷說(shuō),該研究不僅突破了現(xiàn)有材料理論的認(rèn)知,首次證實(shí)界面過(guò)剩能可以為負(fù),而且在Ni-W等其他材料體系也發(fā)現(xiàn)了亞納米“負(fù)能界面”強(qiáng)化效應(yīng)。相關(guān)合金已取得中試成果,有望推動(dòng)我國(guó)高精密耐磨部件的技術(shù)升級(jí)。
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