顆粒在線訊：近日，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心研究員金海軍團隊將脫合金與電沉積相結(jié)合，在完全互溶且熱力學(xué)穩(wěn)定不易分解的Cu-Au合金體系中構(gòu)筑出類似調(diào)幅分解產(chǎn)生的納米結(jié)構(gòu)，形成仿調(diào)幅分解結(jié)構(gòu)合金（spinodoid alloy）或人工調(diào)幅合金。這一新型納米金屬材料具有接近理論值的高強度，并表現(xiàn)出粗晶材料的塑性變形特征，為材料的強韌化和功能化設(shè)計提供了新思路。相關(guān)研究成果以Ultrastrong Spinodoid Alloys Enabled by Electrochemical Dealloying and Refilling為題，發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上。 

　　科研團隊利用脫合金腐蝕將固溶體Cu-Au中Cu（或Ag-Au中的Ag）選擇性溶解，促使未溶解Au原子自組裝形成納米多孔Au，再用電化學(xué)沉積將Cu回填入納米孔，形成全致密仿調(diào)幅分解結(jié)構(gòu)Cu/Au合金。新材料保留了前驅(qū)體合金的粗大晶粒，其晶內(nèi)由同為面心立方結(jié)構(gòu)、晶體取向一致、且在納米尺寸互相貫通Cu、Au兩相構(gòu)成；兩相間呈三維空間連續(xù)、彎曲的半共格界面，相界上規(guī)則地排列著高密度的失配位錯；兩相特征結(jié)構(gòu)尺寸可在納米至亞微米區(qū)間變化。與多層膜等納米材料在較高臨界尺寸以下即發(fā)生軟化不同，仿調(diào)幅分解結(jié)構(gòu)Cu/Au合金的強度隨尺寸減小而持續(xù)升高，直至接近其理論強度（失配位錯弓出臨界應(yīng)力）。隨著特征尺寸細化至50納米以下，其塑性變形從傳統(tǒng)復(fù)合材料向單相材料變形方式轉(zhuǎn)變。在此臨界尺寸以下，新材料在獲得納米材料高強度的同時，具備單相粗晶材料的變形行為特征，展現(xiàn)出綜合力學(xué)和物理性能優(yōu)化的廣闊空間。 

　　本工作將理論計算與實驗結(jié)合，通過分子動力學(xué)模擬，強調(diào)了界面曲率也是三維連續(xù)相界的重要結(jié)構(gòu)特征，且對納米材料力學(xué)行為產(chǎn)生重要影響。研究對Gyroid雙相晶體進行的原子尺度模擬計算，揭示了零平均曲率半共格界面的結(jié)構(gòu)，并從理論上澄清了該類光滑連通三維復(fù)雜界面與材料理論強度之間的關(guān)系，闡明了仿調(diào)幅結(jié)構(gòu)雙相納米材料的強度上限。 

　　單相固溶體可通過調(diào)幅分解自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w結(jié)構(gòu)相同、成分在納米尺度波動的雙連續(xù)雙相結(jié)構(gòu)。而受制于熱力學(xué)與動力學(xué)條件，該轉(zhuǎn)變的適用合金體系極為有限，其成分調(diào)制幅度和界面形態(tài)結(jié)構(gòu)難以控制與優(yōu)化。本研究突破了傳統(tǒng)調(diào)幅分解的固有限制，拓展了此類材料的合金體系、成分范圍和性能空間，促進其研究和應(yīng)用。此外，新材料的超高密度位錯、近極小面三維連續(xù)相界、低能（半）共格界面、極低三叉晶界密度等獨特結(jié)構(gòu)也為探索納米金屬變形與穩(wěn)定性中的一些基礎(chǔ)科學(xué)問題、發(fā)展高性能結(jié)構(gòu)功能一體化新材料提供了新機遇。 

　　研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、沈陽材料科學(xué)國家研究中心基礎(chǔ)前沿及共性關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新項目的支持。南京理工大學(xué)科研人員參與研究。 

　　圖1.仿調(diào)幅分解結(jié)構(gòu)Cu/Au合金的制備及結(jié)構(gòu)特征。（a）脫合金與電沉積結(jié)合形成仿調(diào)幅分解結(jié)構(gòu)的示意圖；（b）EBSD照片顯示該材料粗大的晶粒尺寸，（c）TEM照片顯示其雙連續(xù)納米雙相結(jié)構(gòu)，（d）HRTEM照片顯示半共格界面和高密度失配位錯。

　　圖2.仿調(diào)幅分解結(jié)構(gòu)Cu/Au合金的分子動力學(xué)模擬。（a）典型Gyroid雙相結(jié)構(gòu)及其光滑連續(xù)半共格界面，（b）界面上大量失配位錯組成的三維位錯網(wǎng)絡(luò)。

圖3.仿調(diào)幅分解結(jié)構(gòu)Cu/Au合金屈服強度的特征結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)，其強度隨結(jié)構(gòu)尺寸減小而持續(xù)上升，并逼近理論計算的理論強度。

　　圖4.仿調(diào)幅分解結(jié)構(gòu)Cu/Au合金屈服強度的晶粒尺寸效應(yīng)。（a）雖然該材料晶粒尺寸（d）比結(jié)構(gòu)尺寸（）高幾個數(shù)量級，其強度仍表現(xiàn)出顯著的晶粒尺寸（d）效應(yīng)。（b-c）SEM照片顯示晶界對剪切帶有明顯的阻礙作用，與強度的晶粒尺寸效應(yīng)相一致。

來源：金屬研究所