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(fā)生滑移、遷移等塑性變形,導致金屬在應(yīng)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(xiàn)了“納米負能界面”強化新策略,在鎳基合金中構(gòu)筑極高密度穩(wěn)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(jié)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(jié)構(gòu)連接,層與層之間僅有0.7納米,形成了更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),材料內(nèi)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(tǒng)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(xiàn)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(yīng)用于多種材料體系。該成果揭示通過構(gòu)筑極限尺度的穩(wěn)定“負能界面”,可以有效調(diào)控晶體材料的原子鍵合狀態(tài),同時實現(xiàn)材料強度和模量的跨越式提升。為未來設(shè)計開發(fā)接近理論強度極限的新一代超強超穩(wěn)金屬材料,提供了新的科學原理和技術(shù)路徑。

相關(guān)研究成果發(fā)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(zhàn)略性先導專項等的支持。

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通過在鎳基過飽和固溶體合金中構(gòu)筑極高密度穩(wěn)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