【儀表網 儀表研發(fā)】近日，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心研究員金海軍團隊將脫合金與電沉積相結合，在完全互溶且熱力學穩(wěn)定不易分解的Cu-Au合金體系中構筑出類似調幅分解產生的納米結構，形成仿調幅分解結構合金(spinodoid alloy)或人工調幅合金。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計提供了新思路。相關研究成果以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，再用電化學沉積將Cu回填入納米孔，形成全致密仿調幅分解結構Cu/Au合金。新材料保留了前驅體合金的粗大晶粒，其晶內由同為面心立方結構、晶體取向一致、且在納米尺寸互相貫通Cu、Au兩相構成；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；兩相特征結構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，仿調幅分解結構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)復合材料向單相材料變形方式轉變。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合，通過分子動力學模擬，強調了界面曲率也是三維連續(xù)相界的重要結構特征，且對納米材料力學行為產生重要影響。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構，并從理論上澄清了該類光滑連通三維復雜界面與材料理論強度之間的關系，闡明了仿調幅結構雙相納米材料的強度上限。
 

　　單相固溶體可通過調幅分解自發(fā)轉變?yōu)榫w結構相同、成分在納米尺度波動的雙連續(xù)雙相結構。而受制于熱力學與動力學條件，該轉變的適用合金體系極為有限，其成分調制幅度和界面形態(tài)結構難以控制與優(yōu)化。本研究突破了傳統(tǒng)調幅分解的固有限制，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構也為探索納米金屬變形與穩(wěn)定性中的一些基礎科學問題、發(fā)展高性能結構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基金、國家重點研發(fā)計劃、沈陽材料科學國家研究中心基礎前沿及共性關鍵技術創(chuàng)新項目的支持。南京理工大學科研人員參與研究。
 

　　圖1.仿調幅分解結構Cu/Au合金的制備及結構特征。(a)脫合金與電沉積結合形成仿調幅分解結構的示意圖；(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)納米雙相結構，(d)HRTEM照片顯示半共格界面和高密度失配位錯。
 

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

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

　　圖4.仿調幅分解結構Cu/Au合金屈服強度的晶粒尺寸效應。(a)雖然該材料晶粒尺寸(d)比結構尺寸(
 

　　)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。(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相一致。