【儀表網 研發(fā)快訊】金屬材料的強化是材料科學的核心問題。細化晶粒是一種提高材料強度的有效方式，大量晶界阻礙位錯運動，強度顯著提升。孿晶強化作為另一種重要策略，通過低能共格界面有效阻礙位錯運動，已在金屬、半導體及陶瓷中得到驗證。然而，當這些結構的尺寸降至 10-15 nm時，晶界滑移、遷移等行為主導塑性變形過程，孿晶界在應力或溫度作用下易退孿生，導致材料出現(xiàn)“尺寸軟化”。突破這一瓶頸，進一步提升金屬材料強度接近理論極限，亟需發(fā)展新的強化策略。
 

　　在中國科學院戰(zhàn)略性先導專項和國家自然科學基金杰出青年基金等項目資助下，中國科學院金屬研究所李秀艷研究員、盧柯院士與遼寧材料實驗室研究團隊合作，創(chuàng)新性提出并實現(xiàn)了“納米負能界面”強化新策略，在鎳基合金中成功構筑極高密度穩(wěn)定界面，顯著提升材料剛度，使材料強度逼近理論極限。相關成果以“納米負能界面強化鎳基合金(Strengthening Ni alloys with nanoscale interfaces of negative excess energy)”為題，于2025年11月6日發(fā)表于《Science》雜志上。
 

　　研究團隊通過電化學沉積結合非晶晶化方法，在Ni(Mo)過飽和固溶體中構筑了高密度納米孿晶和層錯(圖A)。球差校正透射電鏡揭示出晶粒內部由面心立方(ABCABC)與密排六方(ABAB)交替堆垛的高密度穩(wěn)定界面，層片間距最小僅約0.7 nm。密度泛函理論計算結果(圖B)顯示，ABCABC/ABAB界面為“負能界面”(−8.7至−19.5 mJ/m²)，具有本征的熱力學穩(wěn)定性。微柱壓縮實驗(圖C)顯示，該材料在加載過程中保持完全彈性響應，屈服強度高達5.08 GPa，遠超傳統(tǒng)納米晶與納米孿晶鎳基材料，接近理論強度極限。與此同時，楊氏模量隨負能界面密度升高顯著提升，最高達254.5 GPa(圖D)，超過相同成分的非晶態(tài)與金屬間化合物。負能界面的形成不僅阻礙位錯滑移與晶界遷移，還通過界面區(qū)域電子密度重排增強了原子鍵合剛度，實現(xiàn)了強度與剛度的同步提升。從Ashby強度-模量關系圖(圖E)可見，納米負能界面Ni(Mo)合金的強度位于E/40–E/50區(qū)間，接近理論強度，與陶瓷材料相當。根據密度泛函理論計算，其他鎳基二元體系(如Ni-W、Ta、Nb、Mn和V)共格界面也具有負過剩能。納米“負能界面”強化策略可廣泛應用于多種材料體系。此項突破性成果的核心價值在于，它首次揭示了通過構筑極限尺度的穩(wěn)定“負能界面”，可以有效調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升。這不僅是金屬強化理論的重大革新，也為未來設計開發(fā)接近理論強度極限的新一代超強超穩(wěn)金屬材料提供了全新的科學原理和技術路徑。
 

　　圖 通過在鎳基過飽和固溶體合金中構筑極高密度穩(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。