近期，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國(guó)家研究中心金海軍研究員團(tuán)隊(duì)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)筑出類似于調(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(qiáng)度，同時(shí)表現(xiàn)出粗晶材料的塑性變形特征，為材料的強(qiáng)韌化和功能化設(shè)計(jì)提供了新思路。該項(xiàng)研究成果以“Ultrastrong Spinodoid Alloys Enabled by Electrochemical Dealloying and Refilling”為題發(fā)表于《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）。
研究團(tuán)隊(duì)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(cuò)；兩相特征結(jié)構(gòu)尺寸可在納米至亞微米區(qū)間變化。和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(qiáng)度隨尺寸減小而持續(xù)升高，直至接近其理論強(qiáng)度（失配位錯(cuò)弓出臨界應(yīng)力）。更有趣的是，隨著特征尺寸細(xì)化至50納米以下，其塑性變形也從傳統(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(qiáng)度的同時(shí)，也具備了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)化的巨大空間。
本文將理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，通過分子動(dòng)力學(xué)模擬，強(qiáng)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，并對(duì)納米材料力學(xué)行為產(chǎn)生重要影響。對(duì)Gyroid雙相晶體進(jìn)行的原子尺度模擬計(jì)算，揭示了零平均曲率半共格界面的結(jié)構(gòu)，同時(shí)也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(qiáng)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(qiáng)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(dòng)的雙連續(xù)雙相結(jié)構(gòu)。但受制于熱力學(xué)與動(dòng)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)也難以控制與優(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(jìn)其研究和應(yīng)用。此外，新材料的超高密度位錯(cuò)、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(dú)特結(jié)構(gòu)也為理解納米金屬變形及穩(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的機(jī)遇。
該工作由金屬所博士研究生關(guān)懷（第一作者）、解輝副研究員、羅兆平副研究員和南京理工大學(xué)博士研究生鮑偉康、尤澤升副教授、金屬所金朝暉研究員和金海軍研究員（通訊作者）共同完成。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，以及沈陽材料科學(xué)國(guó)家研究中心基礎(chǔ)前沿及共性關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目的資助。
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)，以及d）HRTEM照片顯示半共格界面和高密度失配位錯(cuò)。
圖2 仿調(diào)幅分解結(jié)構(gòu)Cu/Au合金的分子動(dòng)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，以及b)界面上大量失配位錯(cuò)組成的三維位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)。
圖3 仿調(diào)幅分解結(jié)構(gòu)Cu/Au合金屈服強(qiáng)度的特征結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)。其強(qiáng)度隨結(jié)構(gòu)尺寸減小而持續(xù)上升，并逼近理論計(jì)算的理論強(qiáng)度。
圖4 仿調(diào)幅分解結(jié)構(gòu)Cu/Au合金屈服強(qiáng)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(gè)數(shù)量級(jí)，其強(qiáng)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(duì)剪切帶有明顯的阻礙作用，與強(qiáng)度的晶粒尺寸效應(yīng)相一致。
