為了破解困擾材料學(xué)界多年的“尺寸軟化”難題,中國科學(xué)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(fù)能界面”強化新策略,在鎳基合金中成功構(gòu)筑極高密度穩(wěn)定界面,顯著提升材料剛度,使材料強度逼近理論極限。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《科學(xué)》。

金屬是由無數(shù)個微小的像冰糖塊一樣的晶粒組成的,晶粒越小,晶粒之間的“墻”,即晶界就越多,金屬就越難變形,強度就越大。這就像用很多小磚塊砌墻,比用幾塊大石頭堆的墻結(jié)實得多。但這個方法有個極限:當(dāng)晶粒尺寸降至10~15納米時,晶界會發(fā)生滑移、遷移等塑性變形,導(dǎo)致金屬在應(yīng)力下變軟。這就像用沙子砌墻,沙子太細(xì)就粘不住了。

研究團隊在鎳基合金中,通過電化學(xué)沉積結(jié)合非晶晶化方法,讓金屬原子以面心立方和密排六方這兩種極其緊密的方式交替堆疊,原子就像采用榫卯結(jié)構(gòu)連接,層與層之間僅有0.7納米,約兩三個原子的寬度,形成了一種使內(nèi)部更穩(wěn)定、更優(yōu)的結(jié)構(gòu),材料內(nèi)部總能量不但沒有增加,還降低了“負(fù)能界面”。

這種充滿“負(fù)能界面”的新型金屬的屈服強度高達(dá)5.08吉帕,遠(yuǎn)超傳統(tǒng)納米晶與納米孿晶鎳基材料,接近理論強度極限,可以和許多高性能陶瓷相媲美。更難得的是,它的楊氏模量(衡量材料抵抗彈性變形能力的指標(biāo),即剛度)也大幅提升,達(dá)254.5吉帕,甚至超過了同成分的非晶金屬和金屬化合物。這意味著它不僅更難被壓壞,也更難被彈性壓彎,實現(xiàn)了“又強又韌”。

“納米負(fù)能界面”強化策略可廣泛應(yīng)用于多種材料體系。該成果首次揭示了通過構(gòu)筑極限尺度的穩(wěn)定“負(fù)能界面”,可以有效調(diào)控晶體材料的原子鍵合狀態(tài),從而同時實現(xiàn)材料強度和模量的跨越式提

相關(guān)論文信息:https://doi.org/10.1126/science.aea4299

(原載于《中國科學(xué)報》?2025-11-14?第1版?要聞)