12日，記者從遼寧材料實(shí)驗(yàn)室獲悉，該實(shí)驗(yàn)室與中國(guó)科學(xué)院金屬研究所聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)近日取得重大技術(shù)突破。研究人員在金屬中發(fā)現(xiàn)“負(fù)能界面”，成功實(shí)現(xiàn)亞納米結(jié)構(gòu)合金強(qiáng)化，使材料強(qiáng)度逼近理論極限的同時(shí)，顯著提升彈性模量。這種極限尺度穩(wěn)定界面能夠改變晶格的原子鍵合狀態(tài)，從而大幅度提升性能，為下一代高性能金屬材料的設(shè)計(jì)開(kāi)辟了全新維度。這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著金屬材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控進(jìn)入到亞納米尺度，相關(guān)成果近日在國(guó)際期刊《科學(xué)》上發(fā)表。

長(zhǎng)期以來(lái)，提高金屬?gòu)?qiáng)度是材料領(lǐng)域的核心研究目標(biāo)。將結(jié)構(gòu)細(xì)化到納米尺度形成高密度界面，是金屬的主要強(qiáng)化途徑之一。盧柯研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，利用穩(wěn)定的低能孿晶界在金屬銅中構(gòu)建納米孿晶結(jié)構(gòu)，使銅的強(qiáng)度提升10倍以上，并保持高導(dǎo)電性。然而，當(dāng)孿晶層片厚度低于約10納米時(shí)，孿晶結(jié)構(gòu)失穩(wěn)導(dǎo)致材料軟化，結(jié)構(gòu)無(wú)法進(jìn)一步細(xì)化。因此，如何突破尺寸極限、持續(xù)提升金屬?gòu)?qiáng)度，成為一項(xiàng)重大難題。

遼寧材料實(shí)驗(yàn)室黨委副書(shū)記、副主任李秀艷在接受科技日?qǐng)?bào)記者專訪時(shí)介紹，盧柯研究員團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于金屬材料結(jié)構(gòu)調(diào)控與性能突破研究。2018年，該團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)，當(dāng)納米金屬的晶粒小于70納米時(shí)，晶界能量下降，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不降反升，這顛覆了傳統(tǒng)“納米晶粒越小越不穩(wěn)定”的認(rèn)知。2020年，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探索晶粒尺寸極限，將純銅晶粒細(xì)化至4—5納米時(shí)，發(fā)現(xiàn)材料轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N新結(jié)構(gòu)，晶界呈現(xiàn)三維周期性極小面特征，將其命名為“受限晶體”。在最新研究中，團(tuán)隊(duì)聚焦尺度更小的界面結(jié)構(gòu)（平均0.7納米/3—4原子層）。

“我們通過(guò)電化學(xué)沉積結(jié)合非晶化方法，發(fā)現(xiàn)在Ni-Mo合金中存在一種過(guò)剩能為負(fù)的界面。這種界面比孿晶界面更加穩(wěn)定，顯著提升了合金的強(qiáng)度和彈性模量?！崩钚闫G說(shuō)，該研究不僅突破了現(xiàn)有材料理論的認(rèn)知，首次證實(shí)界面過(guò)剩能可以為負(fù)，而且在Ni-W等其他材料體系也發(fā)現(xiàn)了亞納米“負(fù)能界面”強(qiáng)化效應(yīng)。相關(guān)合金已取得中試成果，有望推動(dòng)高精密耐磨部件的技術(shù)升級(jí)。