5.4　作者在該領域的學術思想及主要研究成果

針對傳統強化機制往往導致材料強度（塑性、韌性、導電性）等力學、理化性能“倒置關系”這一材料領域重大科學難題，作者及其研究團隊長期圍繞納米孿晶結構金屬材料的力學性能及變形機制，取得諸多原創性成果。實現微觀尺度上納米結構的可控制備是獲得金屬材料本征力學性能的首要條件，也是深入理解其結構-性能關系的關鍵。長期以來，本團隊在納米結構材料微觀設計及可控制備方面開展了大量研究，已成功實現納米孿晶層片厚度、長度及其取向的可控調節。尤其是塊體擇優取向納米孿晶結構的可控制備為后續深入理解其變形機制及設計高強、高韌、高加工硬化及抗疲勞損傷的納米金屬奠定了堅實的基礎。此外，作者及其研究團隊在強韌化及使役機理上也傾注了大量時間和精力，發現當加載方向與孿晶界面呈特殊角度時，多晶納米孿晶結構會表現出僅在單晶材料中才觀察到的單滑移位錯變形模式，即納米孿晶結構塑性變形的各向異性，進而通過簡單改變加載方向，實現納米孿晶結構材料力學性能和變形機制的可控調節。在優化多尺度微觀結構的設計以及精準調控和制備的基礎上，通過實驗與計算模擬結合，揭示了具有超細孿晶片層純銅樣品的極值強度和超高加工硬化是由傳統的位錯塞積和運動強化機制轉變為由不全位錯形核及運動主導的軟化機制。“納米孿晶銅極值強度的形成機制”獲2009年中國基礎研究十大新聞。

后續研究發現，單滑移主導的位錯往復運動不僅承擔了納米孿晶結構循環變形時產生的大量累積塑性應變，且不會造成納米孿晶和晶界結構處的損傷累積，實現了納米孿晶結構金屬在變應變幅條件下與歷史無關的循環穩定響應特征；通過對比均勻納米孿晶結構中單滑移位錯模式和雙梯度納米孿晶結構中復雜位錯結構也為澄清雙梯度納米孿晶結構中額外強化與加工硬化等效應奠定了理論基礎。

作者主要代表性研究成果：

① 提出納米孿晶強化材料的概念，在純銅中實現高強度高導電性。采用脈沖電解沉積技術制備出具有高密度納米尺寸生長孿晶的純銅薄膜，發現其拉伸強度高達1068 MPa（是普通純銅的十倍以上，達到高強度鋼或銅晶須的強度水平），而室溫電導率與無氧高導銅相當（97% IACS）[20]。首次在實驗上證實納米共格孿晶界面可在純銅中實現超高強度和高導電性。納米孿晶結構的超高強度和高塑性源于納米尺度孿晶界與位錯的獨特相互作用：高密度納米孿晶界面不僅可有效阻礙位錯運動提高強度，同時亦可吸納和存儲高密度位錯，提高塑性和改善加工硬化能力。由于共格孿晶界對電子的散射能力極小，納米孿晶結構對電導特性無明顯影響。

與合作者共同提出利用納米尺度共格界面強韌化材料的新原理[14]。提出具有優異綜合力學性能的界面應具備三個關鍵結構特征：界面與基體之間具有晶體學共格關系；具有良好的熱穩定性和機械穩定性；結構特征尺寸在納米量級。該強化途徑在提高工程材料綜合性能方面表現出巨大的發展潛力和廣闊的應用前景。納米尺度共格孿晶界面強韌化的研究思想引領了國際納米材料的研究并帶動了相關先進材料與技術的研發。

② 發現了納米孿晶金屬中的極值強度和超高加工硬化效應。采用脈沖沉積技術在純銅樣品中成功地獲得高密度、極小尺寸納米孿晶結構（最小孿晶片層為4nm）。當孿晶片層厚度為15 nm時，材料強度達到最大值。進一步減小孿晶片層，強度逐漸下降，但塑性和加工硬化能力大幅持續增加，并超過傳統材料加工硬化系數的上限，表現出超高加工硬化能力[21]。通過實驗與計算模擬結合，發現該極值強度與晶粒尺寸相關，即晶粒尺寸越小，臨界孿晶片層尺寸也越小，從而材料的極值強度越高，揭示了由傳統的位錯塞積和運動強化機制轉變為由不全位錯形核及運動而主導的軟化機制[22]。

③ 澄清了孿晶微觀結構參數（如晶粒尺寸、孿晶片層厚度等）以及加載條件（加載取向、溫度和應變速率等）對力學性能和變形機理的影響規律。發現隨孿晶層片厚度減小，材料的強度和拉伸塑性同步提高，突破了傳統強化技術導致材料塑性及導電性降低的窘局。另外，增大晶粒尺寸、增加應變速率和降低變形溫度等均有利于提高納米孿晶材料的加工硬化能力和強度塑性匹配。成功揭示了納米孿晶結構的塑性變形主要由三種不同滑移系類型位錯協調，即位錯塞積并穿過孿晶界，肖特基孿生不全位錯形核并沿孿晶界面滑移，以及受限于孿晶片層內的貫穿位錯運動。以上三種變形機制對納米孿晶金屬的強度、塑性和加工硬化的貢獻各不相同。通過改變加載軸相對于孿晶界的方向，在同一樣品中可實現這三種變形機制的可控變換，詮釋了材料內部變形機制及宏觀性能的可控調節機制[27，28]。

④ 發現了納米孿晶金屬與歷史無關的循環穩定響應行為。針對如何減小或抑制金屬結構材料循環變形過程中應變局域化和不可逆損傷這一限制抗疲勞損傷材料發展的重大瓶頸問題，作者團隊系統研究了納米孿晶金屬在交變載荷作用下的疲勞性能及機理。發現了單滑移主導的位錯行為承擔納米孿晶結構的循環塑性變形，且疲勞過程中不影響納米孿晶和晶界結構的穩定，未產生明顯的損傷累積，與傳統單晶、粗晶和納米結構金屬嚴重疲勞損傷截然不同。納米孿晶結構獨特的循環變形行為貢獻了其優異的綜合疲勞性能：高疲勞極限、長疲勞壽命以及與疲勞歷史無關的穩定循環響應特征，為發展抗疲勞損傷的高性能工程金屬材料提供了新思路[29-31]。

⑤ 發現了雙梯度納米孿晶金屬中的額外強化與加工硬化。首次利用直流電解沉積技術獲得結構梯度定量可控的納米孿晶銅材料，其強度和加工硬化率隨結構梯度增加同步提高。當結構梯度足夠大時，梯度材料的強度甚至超過了梯度微觀結構中最強的部分。這種獨特的強化行為在其他均勻、非均勻微觀結構中均未觀察到。這主要歸因于在初始變形階段因結構梯度而產生的大量幾何必需位錯富集束，沿著梯度方向均勻分布在晶粒內部，不僅有效阻礙位錯運動，同時還抑制晶界應變局域化[66]。梯度納米孿晶強化的概念結合了多尺度結構梯度，進一步提高了材料的強度極限。

以上研究不斷豐富和拓寬了人們對納米孿晶材料本征力學性能和變形機理的認識。這種基于多尺度微觀結構的空間設計、構筑和可控制備實現材料綜合性能提高的極具啟發性的學術思想，豐富了國際納米材料的研究并帶動了相關先進材料與技術的研發，也為發展新一代高性能材料提供了新范式。