来源:中国科学院金属研究所 发布时间:2023/1/5 14:24:23
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仿调幅分解结构高强度纳米金属材料研究取得进展

 

近期,中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心金海军研究员团队将脱合金与电沉积相结合,在完全互溶且热力学稳定不易分解的Cu-Au合金体系中构筑出类似于调幅分解产生的纳米结构,形成仿调幅分解结构合金(spinodoid alloy)或人工调幅合金。这一新型纳米金属材料具有接近理论值的高强度,同时表现出粗晶材料的塑性变形特征,为材料的强韧化和功能化设计提供了新思路。该项研究成果以“Ultrastrong Spinodoid Alloys Enabled by Electrochemical Dealloying and Refilling”为题发表于《美国科学院院报》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)。

研究团队利用脱合金腐蚀将固溶体Cu-Au中Cu(或Ag-Au中的Ag)选择性溶解,促使未溶解Au原子自组装形成纳米多孔Au,再用电化学沉积将Cu回填入纳米孔,形成全致密仿调幅分解结构Cu/Au合金。新材料保留了前驱体合金的粗大晶粒,其晶内由同为面心立方结构、晶体取向一致、且在纳米尺寸互相贯通Cu、Au两相构成;两相间呈三维空间连续、弯曲的半共格界面,相界上规则地排列着高密度的失配位错;两相特征结构尺寸可在纳米至亚微米区间变化。和多层膜等纳米材料在较高临界尺寸以下即发生软化不同,仿调幅分解结构Cu/Au合金的强度随尺寸减小而持续升高,直至接近其理论强度(失配位错弓出临界应力)。更有趣的是,随着特征尺寸细化至50纳米以下,其塑性变形也从传统复合材料向单相材料变形方式转变。在此临界尺寸以下,新材料在获得纳米材料高强度的同时,也具备了单相粗晶材料的变形行为特征,展现出综合力学和物理性能优化的巨大空间。

本文将理论计算与实验结合,通过分子动力学模拟,强调了界面曲率也是三维连续相界的重要结构特征,并对纳米材料力学行为产生重要影响。对Gyroid双相晶体进行的原子尺度模拟计算,揭示了零平均曲率半共格界面的结构,同时也从理论上澄清了该类光滑连通三维复杂界面与材料理论强度之间的关系,阐明了仿调幅结构双相纳米材料的强度上限。

单相固溶体可通过调幅分解自发转变为晶体结构相同、成分在纳米尺度波动的双连续双相结构。但受制于热力学与动力学条件,该转变的适用合金体系极为有限,其成分调制幅度和界面形态结构也难以控制与优化。本研究突破了传统调幅分解的固有限制,拓展了此类材料的合金体系、成分范围和性能空间,促进其研究和应用。此外,新材料的超高密度位错、近极小面三维连续相界、低能(半)共格界面、极低三叉晶界密度等独特结构也为理解纳米金属变形及稳定性中的一些基础科学问题、发展高性能结构功能一体化新材料提供了新的机遇。

该工作由金属所博士研究生关怀(第一作者)、解辉副研究员、罗兆平副研究员和南京理工大学博士研究生鲍伟康、尤泽升副教授、金属所金朝晖研究员和金海军研究员(通讯作者)共同完成。该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划,以及沈阳材料科学国家研究中心基础前沿及共性关键技术创新项目的资助。

图1 仿调幅分解结构Cu/Au合金的制备及结构特征。a) 脱合金与电沉积结合形成仿调幅分解结构的示意图。b)EBSD照片显示该材料粗大的晶粒尺寸,c)TEM照片显示其双连续纳米双相结构,以及d)HRTEM照片显示半共格界面和高密度失配位错。

图2 仿调幅分解结构Cu/Au合金的分子动力学模拟。a)典型 Gyroid双相结构及其光滑连续半共格界面,以及b)界面上大量失配位错组成的三维位错网络。

图3 仿调幅分解结构Cu/Au合金屈服强度的特征结构尺寸效应。其强度随结构尺寸减小而持续上升,并逼近理论计算的理论强度。

图4 仿调幅分解结构Cu/Au合金屈服强度的晶粒尺寸效应。a)虽然该材料晶粒尺寸(d)比结构尺寸()高几个数量级,其强度仍表现出显著的晶粒尺寸(d)效应。(b-c)SEM照片显示晶界对剪切带有明显的阻碍作用,与强度的晶粒尺寸效应相一致。

 
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