间隔的纳米孪晶使金属更加坚硬

位于美国罗德岛州普罗维登斯布朗大学()——研究人员从布朗大学和中国科学院金属研究所研究发现了一种新的方式来使用nanotwins——微小线性边界在一个金属的原子晶格两侧有相同的晶体结构,使更强的金属。

在发表于《科学》杂志上的一篇论文中，研究人员指出，改变孪晶边界之间的间距，而不是始终保持一致的间距，可以显著提高金属的强度和加工硬化率，即金属在变形时增强的程度。

领导这项研究的布朗大学工程学院教授高华健说，这项研究可以为高性能材料的新制造技术指明方向。

高说:“这幅作品处理的是所谓的梯度材料，也就是一种内部结构有一些渐变的材料。”梯度材料是一个热门的研究领域，因为与均匀材料相比，梯度材料往往具有理想的性能。在这种情况下，我们想看看纳米双晶间距的梯度是否会产生新的特性。”

高和他的同事已经证明纳米双胞胎本身可以改善材料性能。例如，纳米双联铜的强度明显高于标准铜，具有异常高的抗疲劳能力。但这是第一个测试可变纳米孪晶间距影响的研究。

高和他的同事用四种不同的成分制作了铜样品，每一种成分都有不同的纳米孪晶边界间距。边界之间的间隔从29纳米到72纳米不等。铜样品由四种成分的不同组合组成，它们在样品厚度上按不同的顺序排列。然后研究人员测试了每种复合材料的强度，以及四种成分的强度。

试验结果表明，所有复合材料的强度均高于四种材料的平均强度。值得注意的是，其中一种复合材料实际上比其组成成分中最强的还要强。

“打个比方，我们认为一根链条的强度取决于它最薄弱的一环，”高说。“但现在，我们所处的情况是，我们的链条比它最坚固的一环还要坚固，这真的非常令人惊讶。”

其他试验表明，复合材料的加工硬化率也高于其组成成分的平均硬化率。

为了理解这些性能提高背后的机理，研究人员使用计算机模拟了他们的样品在压力下的原子结构。在原子水平上，金属通过位错的运动对应变作出反应——晶体结构中原子被推离位置的线缺陷。这些位错生长和相互作用的方式决定了金属的强度。

模拟结果表明，梯度铜的位错密度比普通金属高得多。

高说:“我们发现了一种独特的位错类型，我们称之为集中位错束，这种位错导致的位错密度比正常位错高一个数量级。”“这种类型的位错不会发生在其他材料中，这就是为什么梯度铜如此之强。”

高说，虽然研究团队在这项研究中使用了铜，但纳米双胞胎也可以用其他金属制造。因此，纳米孪晶梯度有可能改善其他金属的性能。

高说:“我们希望这些发现能激励人们在其他类型的材料中进行双梯度实验。”

该研究的其他作者还有赵成、周浩飞、吕秋红和吕磊。该研究由美国国家科学基金会和中国国家自然科学基金会资助。