《稳定纳米结构金属及其优异性能》

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提高金属材料的强度一直是材料领域中最经典、最核心的科学技术问题之—。大量实验表明,当晶粒尺寸细化至纳米尺度时,金属的强度可以提高数倍至数十倍。然而,由于界面密度高导致结构稳定性降低,高强度纳米金属丧失了良好的塑性、韧性及导电性,限制了其发展和工业应用。能否提髙金属的强度而不损失其它良好性能,克服强度与塑性(或导电性等)“鱼与熊掌不可兼得”的矛盾?这是国际材料研究领域近几十年以来亟待解决的重大科学难题。

提高纳米材料强塑性综合性能的关键是增强纳米结构的稳定性,该项目提出稳定纳米结构的两个途径:一是通过调控界面结构降低界面能,二是通过调控界面空间分布提高变形稳定性,以此提升纳米金属综合性能,先后在金属中发现了两类新型稳定纳米结构,即低能界面纳米结构和梯度纳米结构,在纳米结构稳定化和金属综合强韧化机理研究方面取得了一系列重要突破。主要研究成果包括:1)发现纯铜中纳米孪晶的独特强化效应,获得超高强度高导电性纳米孪晶铜,突破了强度与导电性的倒置关系,进而提出可提高材料综合性能的新强化机制一纳米孪晶强化;发现金属中的小角晶界纳米层片结构,突破了塑性变形细化金属晶粒尺寸的极限,获得超高硬度高稳定性纳米层片镍。2)提出金属材料表面纳米化和梯度纳米结构新概念,发展了多种表面塑性变形制备技术,揭示了变形诱导的梯度纳米结构形成机制:发现梯度纳米结构独特的变形机制和力学响应,获得了兼具高强度和高塑性的梯度纳米金属;利用梯度纳米结构表层大幅度降低了铁的渗氮温度,推动了金属材料表面化学热处理技术的发展;发现表面梯度纳米结构可大幅度提高金属材料的力学、摩擦磨损和疲劳等性能,推动了纳米金属材料的发展和工业应用。

该项目开创的关于纳米孪晶结构、小角晶界纳米层片结构以及梯度纳米结构等稳定纳米结构的研究目前已成为国际上纳米材料领域的热点研究方向,相继研发出多种高性能纳米孪晶材料,如纳米孪晶金属间化合物、高温合金、热电半导体材料、纳米孪晶cBN和金刚石等。八篇代表性学术论文被SCI他引3693次。《MRS Bulletin》和《Scripta Materialia》等多个学术期刊组织发表了论文特刊或专刊进行相关专题论述,“纳米孪晶材料”、“纳米尺度孪晶”和“梯度和层状材料”多次成为美国MRS年会和TMS年会的分会专题。同时,关于纳米孪晶结构和梯度纳米结构的研究成果被写入国际材料领域经典教科书《Physical Metallurgy》最新第五版。近年来,项目主要完成人多次应邀为《Science》和《Nature Materials》等国际权威期刊撰写综述或专题评述,在戈登研究大会和国际材料强度大会等重要国际学术会议上做大会主旨报告或邀请报告150余次。项目主要完成人卢柯研究员荣获TMS Fellow、MRS Fellow、AAAS Fellow称号等多项国际荣誉及奖励,入选中组部“万人计划”第一批杰出人才和“科学家工作室”等。

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